基于CFD计算的轴流泵改型设计和效果

轴流泵改型设计

第31卷 第4期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.4

2015年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2015 97

基于CFD计算的轴流泵改型设计和效果

石丽建1，汤方平1※，谢荣盛1，齐立龙1，杨正东2

（1. 扬州大学水利与能源动力工程学院，扬州 225100； 2. 江苏省淮安抽水二站管理所，淮安 223200）

摘 要：为了解决南水北调淮安二站改造工程中，水泵水力模型TJ05-ZL-02与现场土建结构存在的轮毂比不对应的问题，该文基于CFD数值计算针对淮安二站主水泵进行改型分析研究。将轮毂比为0.4的TJ05-ZL-02水力模型改成轮毂比为0.4667的新模型，确保改型之后的水泵模型跟TJ05-ZL-02水力模型性能相似，能够满足淮安二站调水、排涝的工程要求，同时应适当减小流量系数，适当降低高效区扬程。在改型设计时，研究主要设计参数对轴流泵性能的影响，控制叶片性能变化的方向，采用CFD数值计算的方法，对设计参数改变后的轴流泵水力性能进行验证，确定最终的改型设计方案。通过数值模拟对TJ05-ZL-02和改型的最终设计方案进行泵装置性能研究。最后将改型方案的模型泵装置试验结果与数值模拟结果对比，近一步对改型方案的可行性进行论证分析。研究结果表明：改型后轴流泵性能高效区扬程和流量，完全能够满足淮安二站运行要求；改型后轴流泵装置效率超过了70%，而原先淮安二站运行效率仅有54%，效率提高近20%，提高了调水性能，节约了运行成本；同时研究成果对今后的轴流泵改型设计具有重要的指导意义。 关键词：泵；设计；数值计算；轴流泵；叶片；轮毂比 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2015.04.014

中图分类号：TH312 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-04-0097-06

石丽建，汤方平，谢荣盛，等. 基于CFD计算的轴流泵改型设计和效果[J]. 农业工程学报，2015，31(4)：97－102. Shi Lijian, Tang Fangping, Xie Rongsheng, et al. Design of axial flow pump modification and its effect based on CFD calculation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 97－102. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

淮安二站原有的立式轴流泵，设计扬程7 m，叶轮直径4.5 m，额定转速100 r/min，单机流量60 m3/s。根据该泵站三十多年的实际运行数据，运行净扬程在 4 m左右，大部分时间在低扬程运行，效率较低，叶片正面靠进口边汽蚀严重，已经多次修补。孙洪滨等[1]对淮安二站改造必要性做了详细的分析研究，根据淮安二站安全检测结果，针对存在的问题进行分析，提出了更新改造措施。

根据江苏省水利勘察设计研究院《南水北调东线第一期工程淮安二站改造工程可行性研究报告》，泵站设计流量为120 m3/s，泵站设计净扬程为4.89 m，平均净扬程为3.82 m，最小净扬程为2.0 m，最大净扬程为5.06 m。

改造要求对2台套立式液压全调节轴流泵进行更新，泵的叶轮直径4.5 m，单机流量60 m3/s，配套5 000 kW立式同步电动机，电动机和水泵直连，电动机额定电压6 kV，额定转速93.8 r/min。冯俊等[2]对淮安二站改造进行了详细的水力模型比选确定，并最终确定选取天津同收稿日期：2014-12-25 修订日期：2015-01-21

基金项目：国家自然科学基金项目（51376155）；十二五农村领域科技计划项目（2012BAD08B03-2）；江苏省高校自然科学研究重大项目（11KJA570001）； 江苏省普通高校研究生科研资助项目（CXLX13_904） 作者简介：石丽建，男，江苏如皋人，博士生。主要研究方向：流体机械功能曲面多学科设计优化研究。扬州 扬州大学水利与能源动力工程学院，225100。Email：yzdxslj@

※通信作者：汤方平，教授，男，浙江金华人，教授，博士生导师。研究方向：流体机械设计，复杂工程系统科学优化设计,泵站自动化等。扬州 扬州大学水利与能源动力工程学院，225100。Email:yzdx_tfp@

台对比的TJ05-ZL-02水力模型，对于该水力模型给了详

细而充分的选择依据。该模型叶片的水力性能较好，能满足最高排涝扬程和最低扬程运行的要求。并且模型泵的叶片较厚，在设计大泵后，叶片强度会好很多，不容易产生振动和断裂现象。中标单位上海凯泉泵业(集团)公司在具体改造实施过程中发现，现场土建结构与新水力模型的轮毂比0.4产生矛盾，土建结构只适应轮毂比0.4667的水力模型。

分析了王玉心[3]在淮安二站泵设计改进探讨一文中，

轮毂比不一样带来的一些问题。如果将现成的模型按相似换算去设计，就会产生与原来的导流锥衔接不上或在进水锥管处产生突然收缩的问题，这样对机组的装置效率就会产生严重的影响甚至模型泵装置试验失败。如果改造土建结构，工程量大且存在安全隐患。经各方协商，决定对主泵水力模型通过数值模拟[4-6]的手段进行改型设计[7-8]，以达到以下2个主要目的：

1）改型设计的水泵性能（轮毂比为0.4667）和选型的TJ05-ZL-02优秀水力模型性能（轮毂比为0.4）相似，能够满足淮安二站的工程要求；2）鉴于TJ05-ZL-02水力模型流量系数大，远高于改型要求，水泵改进时，应适当减小流量系数，同时适当降低高效区扬程。

1 主水泵改型研究

本文在改型设计研究时对改型后的轴流泵叶片采用数值计算的分析方法。利用数值计算软件CFX对不同设计参数下的轴流泵叶轮内部流场进行了全三维的紊流数值模拟。通过对数值模拟结果的分析和比较，最终得出

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农业工程学报 2015年

改型设计的设计方案。 1.1 参数设计

1.1.1 轮毂比(d/D)

轮毂用来固定叶片，在结构和强度上应保证安装叶片和调节叶片的要求。轮毂比除受结构强度限制外，对叶轮内的流动状态有重要影响，是一个很重要的几何参数。

本文改型研究在轮毂比方面已经限定，不可更改，即将同台测试的优秀水力模型轮毂比0.4改为0.4667。由于轮毂比由小变大，流速增加，水力损失增大，过流断面减小，抗汽蚀性能变差，效率降低。因此必须通过改变其他设计参数，以保证改型后的水泵水力性能相似。本文主要采取了修改叶栅稠密度(l/t)和翼型安放角β 2项参数。 1.1.2 叶栅稠密度(l/t)

叶栅稠密度[7]是轴流泵叶轮的重要几何参数，它直接影响泵的效率，也是决定水泵汽蚀性能的重要参数。叶栅稠密度是根据在叶栅中能量损失最小以及具有较好汽蚀性能的条件确定。叶栅稠密度减小，水泵叶片总面积减小，叶片工作面和背面的压差增加，汽蚀性能变差。但是叶片总面积减小，相应的减小了水力摩擦损失，叶片效率可以提高。

本文在改型设计时，保持叶根叶栅稠密度倍数不变，在叶尖叶栅稠密度的可变范围内，适当降低叶尖叶栅稠密度，增加叶根叶栅稠密度，以减小内外翼型的长度差，均衡叶片出口扬程，扩大高效区范围，提高效率，提升运行稳定性。

1.1.3 翼型安放角β

叶片的翼型安放角对轴流泵的性能同样具有重要的影响。通常轴流泵叶轮叶片的外缘翼型很薄，而且近乎于平直，并且叶片的冲角很小，可见做功能力不强。反之，轮毂侧的翼型较厚，拱度较大，且冲角较大，导致叶片扭曲严重。因此，改型设计时应适当减小轮毂处翼型安放角，降低轮毂侧的轴面速度与圆周分速度，同时适当增大外缘翼型的安放角，增大外缘叶片的冲角，提高叶片的做功能力[8]。这样不仅可以减小叶片扭曲，改善翼型工作条件，增加过流量，而且可以提高效率、扩大高效区和提高叶片的抗汽蚀性能。 1.2 改型设计结果分析

本文改型设计时采用Turbo-Grid对设计的轴流泵叶轮进行建模并划分网格，运用ANSYS-CFX对叶轮内部三维不可压缩紊流流场进行数值模拟，计算流场外特性参数，对不同设计参数下能否得到相似性能进行验证比较，最终确定改型后的叶片设计参数。改型前后各断面设计参数对比如图1a、1b所示。改型前后叶片形状对比如图1c所示。

根据改型前后的参数对比可知，跟参数分析结果保持一致。叶尖叶栅稠密度减小，而叶根叶栅稠密度倍数保持不变，所以叶根叶栅稠密度也减小，但内外翼型的长度差变小，有利于提高效率，均衡扬程；轮缘处安放角变大，轮毂侧安放角变小，减小了叶片扭曲程度，改善翼型工作条件，提高水泵效率和扩大高效区范围。

a. 各断面叶栅稠密度变化

a. Each section of cascades dense degree

b. 各断面翼型安放角变化

b. Each section of angle of blade

c. 改型前后叶片形状对比

c. Comparison shape between TJ05-ZL-02 hydraulic model and

modification pump

注：水力模型轮毂比由0.4改为0.4667。

Note: Hub ratio changes from 0.4 to 0.4667 of hydraulic model

图1 设计参数及模型对比图

Fig.1 Comparison figures of design parameters and model shape

2 改型前后泵装置数值模拟验证分析

2.1 泵装置数值模拟 2.1.1 三维建模

改型前轴流泵模型为优秀的TJ05-ZL-02水力模型，模型泵叶轮直径300 mm，轮毂比0.4，叶片数4片，转速1 407 r/min。配套导叶DY330，导叶数7片。改型后轴流泵叶轮轮毂比0.4667，叶片数4片，转速1 407 r/min。导叶为新设计的导叶，导叶数同为7片，计算时叶轮叶片叶顶间隙同为0.2 mm。改型前后肘型进水流道、虹吸式出水流道与原淮安二站一样，而导水锥、叶轮和导叶不同。

肘形进水流道、虹吸式出水流道和导水锥分别用Pro/E建模，叶轮和导叶用Turbo-Grid建模。叶片和导叶模型如图2所示。 2.1.2 网格划分

本文对肘型进水流道、导水锥和虹吸式出水流道3个计算域采用ICEM软件进行结构化网格划分，网格质量比较好。叶轮和导叶直接在Turbo-Grid中进行网格划分，经检验，叶轮和导叶在Turbo-Grid中画出的网格质量较好，同时满足正交性要求[9-11]。根据文献[12]，网格满足网格无性要求时，叶轮单通道网格数设置在8万左

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右，导叶单通道网格数在5万左右，整个计算域网格数为1 593 785。改型前后进水流道和出水流道网格质量和网格数都不变，对于改型前后导水锥、导叶和叶轮的网格数和网格质量保持相当。

a. TJ05-ZL-02叶轮造型图

b. TJ05-ZL-02导叶造型图

a. Impeller of TJ05-ZL-02

b. Guide vane of TJ05-ZL-02

c. 改型叶轮造型图

d. 改型导叶造型图

c. Modified impeller

d. Modified guide vane

图2 叶轮和导叶造型图

Fig.2 Model figures of impeller and guide vane

2.1.3 边界条件设置

计算区域的进口为进水流道的进口，进口边界条件为总压，在进口指定总压为一个标准大气压，即105 Pa。计算区域的出口为虹吸式出水流道出口，出口边界设为质量流量，设计流量Q为320 L/s，转速为1 407 r/min。壁面边界类型，包括叶片表面、轮毂表面、叶轮外壳的内表面等。表面固壁上满足粘性流体的无滑移条件，因此在近壁区域采用标准壁面函数边界条件[13-15]。

本文的交界面设置中，导水锥出口与叶轮进口、叶轮出口与导叶进口的动静交界面采用Stage模型，其余各部分交界面均采用None交界面类型。 2.2 改型前后数模结果对比分析

淮安二站水泵机组叶片均为全可调节式叶片，本文针对在设计叶片安放角（角度为0）下进行数值模拟，分析改型前后泵装置的性能。针对TJ05-ZL-02和改型的轴流泵装置进行了数值计算[16-20]，采用标准k-ε模型，计算流量范围280～380 L/s，分别计算了280、300、320、340、360和380 L/s共 6个流量点，最优工况点流量320 L/s左右。

2.2.1 外特性分析

将TJ05-ZL-02和改型数值计算结果整理见表1。 根据表1中的数据，绘制出轮毂比0.4和轮毂比0.4667的轴流泵装置的性能曲线，如图3所示。图3中Q-H曲线整体较为平稳光滑，改型后的泵装置扬程比改型前泵装置扬程小0.4 m左右，符合预期效果。根据淮安二站多年来的运行数据可知，淮安二站此次更新改造的设计扬程为4.89 m，最大扬程为5.06 m，最小扬程为2 m，从Q-H曲线可知，曲线接近平行，斜率相当，说明设计扬程比较合理，两种轮毂比扬程均能满足设计要求。从Q-η曲线可知，改型后的泵装置的效率曲线虽有所下降，

但是设计流量附近效率基本不变，且高效区稍往小流量偏移，符合预期效果。改型后流量变小，正好弥补原模型流量偏大的问题。

表1 TJ05-ZL-02和改型泵装置数值计算结果对比表 Table 1 Numerical results of TJ05-ZL-02 and modified pump

轮毂比0.4 轮毂比0.4667 序号 流量 Hub/tip=0.4

Hub/tip=0.4667

No.

Flow Q/(L·s-1)

扬程 效率扬程

效率Head H/mEfficiency η

Head H/mEfficiency η

1 280 6.023 0.6993 5.8153 0.736

2 300

5.686

0.744

5.3073 0.7605 3 320 5.194 0.77 4.7411 0.7667 4 340 4.45 0.758 3.9417 0.74 5 360 3.585 0.7189 3.08 0.692 6 380 2.544 0.6205 2.07 0.5775

图3 改型前后泵装置性能曲线

Fig.3 Pump device performance curves of TJ05-ZL-02 and

modified pump

2.2.2 叶片表面压强分布

为了了解轴流泵叶片表面压强分布情况，本文选取最优工况下改型前后叶片正反面压强分布云图。如图4所示。

图4 改型前后叶片压力面和吸力面压强分布图 Fig.4 Working surface pressure and back surface pressure distribution of TJ05-ZL-02 hydraulic model and modified pump

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农业工程学报 2015年

如图4所示，在设计工况下，叶片正面和背面的压强分布趋势一致，没有出现较大或者较小的应力集中区，改型前后叶片表面压强分布一致。 2.2.3 汽蚀性能比较

从轮毂开始取出叶展方向0.85翼型断面的压强分布数据，如图5所示。

a. 小流量工况280 L/s

a. Small flow condition is 280 L/s

b. 设计流量工况320 L/s

b. Design flow condition is 320 L/s

c. 大流量380 L/s

c. Large flow condition is 380 L/s

图5 叶展方向0.85断面压强分布数据对比图

Fig.5 Comparison data figure of 0.85 span pressure distribution

图5曲线表示沿叶展方向0.85翼型断面的压强分布数据，相对长度为0时表示该翼型断面的进口位置，相对长度为1表示翼型出口位置。根据图5可知，该断面TJ05-ZL-02水力模型压强整体比改型后的压强高，其中大流量工况压强偏差较大。但是对于每一种流量工况，与TJ05-ZL-02相比，改型后的水泵模型该断面的背面压强从叶片进口到叶片出口偏差越来越大。但是改型后的叶片并没有因为改型出现局部最小压强，各工况下压强分布趋势相同，说明改型后的叶片跟改型前的叶片汽蚀性能相近，与改型的期望一致。通过数值模拟得到的压强值预测轴流泵汽蚀性能，将连续气泡对轴流泵性能产生影响时的背面最小压强取出求必需汽蚀余量，根据文献[17]，必需汽蚀余量的计算公式：

NPSHre=P0P

ρg minρg

（1）

式中：NPSHre为必需汽蚀余量，m；Pmin为叶片背面的最小压强值，Pa；P0为进水流道进口总压，Pa。

叶片背面最小压强的参考压强点，从轮毂开始取出叶展方向span=0.85翼型断面，并距叶片进口10%左右叶片宽度吸力面最小压强值计算必需汽蚀余量。现将距叶片进口10%左右的最小压强取出用以求必需汽蚀余量。计算结果如表2所示。

表2 汽蚀性能比较

Table 2 Comparison of cavitation performance

参数

流量Flow Q/(L·s-1)

Items

280 320 380 背面最小压强轮毂比0.4 Minmum pressure of 50 576.6

48 475.5

47 467.8

Hub ratio back surface Pmin/Pa is 0.4

必需汽蚀余量Necessary of NPSH

5.2832 5.4976 5.5783

NPSHre/m

背面最小压强轮毂比0.4667Minmum pressure of 44 665.9 45 009.644 130.2

Hub ratio back surface Pmin/pa is 0.4667

必需汽蚀余量Necessary of NPSH

5.8863 5.8513 5.9410

NPSHre/m

由表2可知，轮毂比变大后，汽蚀性能变差，但是变化量不大，必需汽蚀余量小于6.5 m，低于选型设计时校核数值6.8 m，有较大的安全裕量。改型后的泵装置的汽蚀性能依然能够满足要求。

综上，根据泵装置的数值模拟结果可知，改型后的水力性能与TJ05-ZL-02水力模型无论是外特性参数还是内特性参数都比较相似，通过对比没有出现哪个参数有较大的波动，达到改型的目的。

3 模型试验验证

改型后的淮安二站模型泵在河海大学做了装置模型试验，模型泵装置试验的成果，通过了江苏省南水北调淮安二站改造工程建设处的验收。文献[3]包括了改型后的泵站模型装置综合特性曲线和换算后的泵站原型装置综合特性曲线，并且给出了详细的各叶片角度下的模型泵装置试验数据。

根据河海大学的《淮安二站水泵模型报告》，本文将叶轮叶片角为0时泵装置模型试验数据与CFD数值模拟结果对比，如图6所示。

图6 模型泵试验数据与数值模拟数据对比图 Fig.6 Comparison data between model pump test and

numerical simulation

轴流泵改型设计

第4期 石丽建等：基于CFD计算的轴流泵改型设计和效果

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模型泵试验和数值模拟计算值吻合较好，整体趋势一致，设计点实测效率比数值模拟计算效率低了约3个百分点，这与模型泵装置泵轴影响、叶根间隙考虑不一致，以及紊流模型适应性等因素有关。总体性能得到了相互验证，设计点效率接近高效区中部，证实了基于CFD的轴流泵改型设计是成功的。

4 结 论

1）CFD计算能预测水泵及泵装置的水力性能，精度满足工程要求，能有效指导水泵的改型设计工作。

2）改型后轴流泵高效区的扬程和流量，完全能够满足淮安二站目前以及将来的调水、排涝和灌溉要求。改型后轴流泵装置效率超过了70%，而原先淮安二站的初始运行效率为68%，后来仅为54%，效率提高近20%，提高了调水性能，节约了运行成本。

3）改型后轮毂比加大，导致综合性能有所下降，表明对于特定比转数的轴流泵，存在最优的轮毂比，这对轴流泵水力模型的优化设计具有重要的指导意义。

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calculation

Shi Lijian, Tang Fangping

1

1※

, Xie Rongsheng1, Qi Lilong1, Yang Zhengdong2

(1. School of Hydraulic Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225100, China;

2. The Second Pumping Station Management of Huai’an, Huai’an 223200, China)

Abstract: This paper studied the selection and modification of the main pumps of the second pumping station of Huai’an by using CFD. The study analyzed the operation status of the main pumps and confirmed the necessity of reinforcement of the main pumps of the second pumping station of Huai’an. Selecting the main pumps for the second pumping station of Huai’an was carried out based on its operation data over these years, and the excellent hydraulic model of TJ05-ZL-02 was chosen. The hub ratio of the hydraulic model TJ05-ZL-02 is 0.4, while the original hub ratio of the second pumping station of Huai’an is 0.4667. Therefore, the hub ratio of the chosen hydraulic model must be modified. At the same time, to meet the requirements of persion, drainage engineering of the second pumping station of Huai’an ensured that the pump model modified has the similar performance with the chosen hydraulic model, reduce the coefficient of flow and decrease the head of the high efficient area. First of all, this paper analyzed the influence of the main parameters including cascades dense degree and blade angle of each section on the hydraulic performance of axial-flow pumps. Which controlling the change of directions of the blade hydraulic performance. And use CFD to verify the hydraulic performance of the axial-flow pump when parameters changes. then decided the final retrofit design program. The feasibility of retrofitting program has been demonstrated through the numerical simulation of comparing the axial-flow pumps device before and after modification. Numerical simulation of the pump device adopts the standard k-ε model, and calculated the six flow point at 280, 300, 320, 340, 360 and 380 L/s, respectively. Finally, the experimental studies of the model pump showed that, model test performance curve trend was consistent with the numerical performance curve. According to flow-head curve , there is a little deviation in small flow area, and the flow-efficiency curve fit well, the performance of numerical simulation and experimental study has been mutual authentication. The head is in the range of 3.5 to 4.5 m, and the flow of 300 to 350 L/s after modification, which will fully meet the requirements of persion, drainage and irrigation of the second pumping station of Huai’an for current and future. After modifications, the efficiency of axial-flow pumps device was over 70%, while the efficiency of the second pumping station of Huai’an initially was 68%, with nearly 20% increased, which play a huge role in increasing persion performance and reducing cost. And the research shows that hub ratio of modified pump increasing may decline the overall performance of axial-flow pump, which indicates that there is the most optimal hub ratio for a specific speed of axial-flow pump,. It has very important significance for the optimal design of axial-flow pump hydraulic model and the large-scale pumping station renovation.

Key words: pumps; design; computer simulation; axial-flow pump; blades; hub ratio

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