后置灯泡式贯流泵装置模型的优化与试验研究

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1、水利学报2010年10月SHUILIXUEBAO第41卷第10期文章编号：0559-9350（2010）10-1248-07后置灯泡式贯流泵装置模型的优化与试验研究施卫东，张德胜，关醒凡，曹卫东（江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江212013）摘要：结合南水北调东线工程金湖泵站低扬程大流量工况要求，研制了贯流泵装置水力模型。采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法，对该模型进行了全流场数值模拟，并对叶片出口和导叶之间的距离进行了优化。优化结果表明，当叶片出口和导叶之间距离为0.11倍叶轮外径时，内部流动较稳定，装置效率高；当该

2、距离为0.03和0.33倍叶轮外径时，导叶出口分别形成了脱流区和旋涡区。流线运动轨迹表明导叶出口存在一定的剩余环量，呈螺旋流态进入出水流道，没有出现局部旋涡。优化后的装置模型经过3个不同试验台的试验，结果基本相符。试验结果表明，该模型流量大，效率高，在-4°叶片角下，最高效率达到79.40%；在2.92m扬程下，流量为329L/s，汽蚀比转速为1267，效率达到79.15%，该模型可供南水北调工程及其他工程选用。关键词：南水北调工程；贯流泵；水力模型；装置试验；数值模拟；优化设计中图分类号：TH311文献标识码：A1研究背景在南水北调东

3、线一期工程所规划的21座泵站中，有9座泵站拟采用贯流泵，所占比例为42%。［1-5］我国对普通轴流泵的水力模型和装置进行过广泛而深入的研究。2004年，来自全国的27个模型参加了在天津进行的南水北调工程水泵模型同台测试，这些模型现正优先在南水北调等工程中使用。贯流泵灯泡体和普通的轴流泵有较大的差别，不能直接套用普通轴流泵的成果。近几年来，陆林广［6-7］［8］等基于FLUENT软件对灯泡贯流泵装置进行了流态分析和水力优化，李龙等对轴伸式贯流泵装［9］置进行了三维湍流数值模拟，严继松等对某贯流泵站进行了能量特性研究。由于在我国此类泵装置设

4、计应用较少，研究成果还远不能满足工程设计和建设的需要，因此南水北调东线工程曾引进国外贯流泵技术。蔺家坝站采用了日本日立公司的技术，准阴三站采用了荷兰艾荷公司的技术。为了在后续的泵站建设中能够尽量多地使用国内具有自主知识产权的贯流泵技术，由江苏省南水北调水源公司、江苏大学、江苏省水利勘测设计研究院共同组成课题组，结合金湖泵站，通过三维湍流计算和试验对贯流泵装置水力模型进行研究，并取得了阶段性的成果。2装置模型金湖泵站要求贯流泵装置模型的最优工况点扬程为2.0~3.0m，效率大于73.5%，汽蚀比转数大于1100，运行扬程范围1.0~6.0

5、m，比转数在1100~1300之间。江苏省水利勘测设计研究院对金湖泵站用的贯流泵装置进行了初步设计，单线图如图1所示。［10］在此基础上，本课题组对贯流泵装置进行了设计，装置流道模型见图2。装置的主要尺寸参数收稿日期：2009-03-31基金项目：国家“863计划”资助项目（2007AA05Z207）；国家科技支撑计划（2008BAF34B10）；国家自然科学基金资助项目（51079063）作者简介：施卫东（1964-），男，江苏南通人，研究员，博士生导师，主要从事流体机械及工程研究。E_mail:wdshi@ujs.edu—1248—

6、如下：模型泵叶轮直径D2=300mm，灯泡体直径D1=282mm，灯泡比为0.94，流道部长度L=2174mm，流道进口尺寸为745.5mm×509.1mm，流道出口尺寸为600mm×689.8mm。基于本课题组系列高效轴流泵叶轮的环量统计规律，在叶片出口轮缘处增大环量，轮毂处减小环量，主流区等环量分布。设计时考虑的主要原则如下：（1）考虑轴流泵进口预旋，轮毂、轮缘等边界条件对轴流泵环量分布和性能的影响；（2）通过减小轮毂侧的叶片角和增大外缘侧的叶片角，减小叶片扭曲度，扩大高效范围；（3）叶片出口采用非线性环量分布。新设计的轴流叶轮直径

7、D2=300mm，轮毂比为0.326，叶片数为3枚，导叶叶片数为5枚。模型如图3所示。̊153011402500500460014330035005600▽0.83000ϕ50003600ϕ46004800ϕϕ▽-1.08009008004000500250030704150110008000200012500图1金湖泵站贯流泵单线图（单位：mm）过流面积变化示意图1-12-2121L513141R100R100.1R120.1.1509282590458ϕ1213141600.6.636351745.5628.216316370921

8、61103355394723-34-45-512151R2503141R125R.5.1150.1600520600.9745ϕϕ407356ϕ313.6.641510.8393.6630.62131511