160 中国农村水利水电2020年第3期 文章编号: 1007-2284[ 2020) 03-0160-06 大型灌排泵站改造应用研究 李端明张印肖若富温鸿浦李彦迪 （1.中国灌减排水发展中心北京100054;2.宁夏回族自治区固海扬水管理处，宁夏中宁755100； 3.中国农业大学水利与土木工程学院北京100083;4.宁夏回族自治区水利厅灌排中心根川751000) 摘要：我国拥有数量庞大的灌排泵站近年来特别是大中型泵站的发展已经成为我国灌排水网络的骨干和支柱工 程.
但随着在建和新建大型泵站中水泵单机功率的不断提升能耗过高和运行稳定性的问题日益突出.
单级双吸离心 泵是我国灌排泵站的一种常见泵型以宁夏回族自治区固海扬水工程白府都泵站更新改造工程中的单级双吸离心泵为 研究对象分析了该泵的运行中存在的问题并给出了改进的叶轮优化方案结果表明相对于传统的双吸式离心泵采用 交替加载与V形交错技术设计得到的双吸离心泵最明显的优势是具有高效区宽、压力脉动低的优点.
本文丰富了单机 双吸离心泵的改造设计方法对未来泵站改造双吸离心泵具有一定的借鉴意义.
关键词：双吸离心泵：叶轮优化：交替加载 中图分类号：TV675文献标识码：A LI Duan-ming’ ZHANG Yin² XIAO Ruo-fu² WEN Hong-pu’ LI Yan-di² ( 1. Chinese Irrigation Drainage Development Center Beijing 100054 China; 2. Ningxia Guhai Yangshui Management Division Zhongning 755100 Ningxia China 3. Gollege af Water Resoures and Civil Engineering China Agricsultural University Beijing 100083 China; 4. Ningxia Water Conservaney Irrigation and Drainage Development Center Irrigation Drainage Development Center Yinchuan 751000 China) Abstract: China has a large number of irigatim and drinage pump stations. In recent years the development of large and mediumszed pumping stations has bee the main part of China’s irigation and drainage networks. However writh the continuous impnvement of the pnrer of the pump in the large=scale pumping station under cnstnaction the pmblem of escesive energy consumption and operational stabiliy has be inesinl prminet. inlestae deucti rifugal p is a n pump tpe n inigati al dine pumping station. In this paer a single =stage double =suction centrifugal pump is analyzed which is used in the renovation projecd of Baifudu Pumping Station of Guhai Yangshui Project in Ningxia. Results show tha the mosl cdnises adcantage of the doubl =suctioe cetgal p dsigd by ble ldig distritis ad Vshape agering tehlgy cmr t the traditioal tpe is it has a wider high eficieney zoe and lower peesure pulsation. The result also eniches the design and mdification methbod od singlemachine dable suctin ctfgal pm whih has ctain rfeene sigifcace fth ftre pmp ati recsti deuti ctrifugal pm. Key words: doubleuetim centrifugal pmp: impeller optimization; blade loading distributins 0引言 泵站工程是利用水泵机组及其配套建筑物将电能转化为 水能进行灌排或者供水的综合性提水工程，灌溉泵站是提 收稿日期：2019-12-10 基金项目：宁夏回族自治区水利科技项目资助.
水对农田进行灌溉的泵站，是农业生产、农民增收和区域环境 作者筒介：李端明（1962-，男教授级高级工程师，主要从事泵站 改善的重要基础设施.
新中国成立60多年来我国机电灌排 改造技术研究.
E-mail lda62620 163.cm: 事业获得了迅猛发展泵站比较集中的省份及地区，已初步形 (C)1994-2020 China Academic Journal Electronic Publishing House. A1l rights reserved. .cnki.net
大型灌排泵站改造应用研究 李端明张印肖若富等 161 成了以大型泵站为骨干的抗旱灌溉、抗洪除涝及跨流域调水工 程体系，及以中小型泵站为主导地位的地区性灌溉和除涝工程 网络-目前全国机电灌溉排水面积约4267万hm”有力地提 高了各地抗御自然灾害的能力对保证农业稳产高产，保障国 家粮食安全等起到了关键性的作用.
双吸离心泵流量大、扬程高广泛应用于大型调水工程、农 田灌溉和城镇供水等重要领域-如南水北调中线工程惠南庄 图1流体域三维图 泵站安装了8台国内单机功率最大的双吸离心泵单机设计流 伸段）、叶轮、出水流道（包含延伸段）进行网格划分，其均采用 量10m²/s、设计扬程58.2m、功率7500kW泵站总装机功率达 非结构化网格.
全流道的网格节点总数为1096833总单元数 到6万kW，由于泵站流量变幅10~60m²/s、扬程范围0~58.2 为5725942.各个流体域的网格、节点数如表2所示.
网格如 m且年运行时间长运行工况复杂对机组运行稳定性的要求 图2所示.
非常高，在大型灌溉排泵站方面据水利部统计我国共有 表2各个流体域参数 大型灌溉排水泵站450处，装机功率563.57万kW，设计流量 参数 进口延仲段进水流道 叶轮 出水流道出口延伸段 35885m/s共安装水泵机组24540台套在大型灌溉泵站中， 节点数 16 740 262 068 516 785 238 498 62 742 75%以上的泵型为双吸离心泵.
在这些大型泵站中大型双 网格数 87 743 1 367 499 2 937 998 96 2 1 ISC 吸离心泵为农业灌溉和饮水工程发挥了关键作用.
随着我国经济的快速发展对大型双吸离心泵的需求将会 越来越大.
随着在建和新建大型泵站中水泵单机功率的不 断提升双吸离心泵应用面临的能耗过高和运行稳定性问题将 更加突出.
针对这一问题本文结合宁夏白府都泵站更新改造 工程研究叶片载荷分布对双吸离心泵水力性能的影响通过 控制叶片载荷来提高双吸离心泵的效率和稳定运行性具有重 图2流道网格 要的经济和社会效益 采用ANSYS CFX软件对HS600-500-650A单级双吸离心 1研究对象及存在的问题分析 泵进行数值模拟选用SST满流模型，在参数设置中流动介质 1.1单级双吸离心泵基本参数 为水温度22℃参考压力为1atm转速为990r/min，计算步 数为1000步收敛标准为1×10~. 白府都泵站属于宁夏固海扬水工程的梯级提水泵站的其 对于边界条件的设定：①进口边界条件：将吸水延伸段进 中一级始建于1984年控灌面积3734hm²泵站总扬程48.8 m设计流量10.04m/s采用3工1备的运行方式，为更好地 口设置为进口边界给定各工况的质量流量：②出口边界条件： 将蜗壳出口延伸段出口设置为出口边界给定出口静压为0③ 提高该泵站双吸离心泵的运行稳定性并降低其能耗.
本文以 其他边界条件：其余墅面都采用无滑移边界条件.
对于交 白府都泵站所使用的HS600-500-650A型单级双吸离心泵为 界面的设置将进水流道出口和叶轮进口、叶轮出口和出水流 研究对象进行改进，该泵的主要参数如表1所示.
道进口设置为固定-旋转交界面将进水流道进口和进口延伸 表1HS600-500-650A型单级双吸离心泵设计参数 段出口处出水流道出口和出口延伸段进口处设置为固定交 设计参数 符号 数值 界面. 进口直径/mm D 600 1.3外特性分析 出口直径/mm D: 500 对表3中的情况下进行模拟计算分别计算出各工况下的 叶轮直径/mm D 650 扬程、效率井做出相应的水力特性曲线如图3.扬程曲线在设 工作转速/ 990 计工况和小流量工况下误差较小其中，设计工况下泵扬程的 说计流量/（m²h1） 0 3 600 计算值为47.97m路高于试验值模拟结果较为准确-比较效 设计扬程/m 47 表3模拟计算时的工况 效率/% 88.5 工况 流量值/（L） 流量值/（m²h-) 比转速 n 142.3 0.2 0 200 720 汽蚀余量/m NPSH 5.8 0.4 Q 400 1440 0.6 0 600 2 160 1.2数值计算模型及方法 0.8 0 800 2 880 根据HIS600-500-650A单级双吸离心泵的水力图尺寸建 1.0 0 1 000 3 600 立三维模型如图1所示.
1.2 0 1200 4 320 在该模型中利用ICEMCFD软件对于进水流道（包含延 1.4 ( 1 400 5 040 (C)1994-2020 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. .cnki.net
162 大型灌排泵站改造应用研究 李端明张印肖若富等 2 改进设计及结果分析 2.1改进方案 针对上述问题，本文采用叶片交替加载技术设计理论对 HS600-500-650A型号的双吸离心泵叶轮进行优化设计，该 技术采用前后盖板交替加载的载荷分布方式结合双侧叶片出 口边倾斜呈“V“字型并均匀交错双侧叶轮的方法对叶轮进行 150 优化设计.
其中优化后的叶轮在原始叶轮的基碣上运用叶片 交替加载技术进行再设计在后盖板位置增加8mm厚度的隔 板再均匀交错布置两侧叶轮.
优化前后叶轮对比如图5 1990 0000000000000000000001 所示.
0/(m’h°) 图3HS600-500-650A水力特性曲线 率对比图，可以看到效率曲线在实验结果和模拟结果整体上趋 势一致，其中在设计工况下，模拟结果与效率实验值误差为 0.73%模拟结果较为准确-因此从总体上来说，该泵的CFT 计算结果与试验结果吻合良好其计算结果可以作为我们优化 设计的评判方法 1.4内部流动分析 (a)原始叶轮继构图 (b)优化后的时轮结构图 叶轮流场分布结果如图4所示，在这里取了0.2Q0.4Q， 图5优化前后叶轮的结构三维图 0.6Q0.8Q1.0Q1.2Q1.40工况进行分析.可以明显看 2.2改进效果分析 出小流量工况下叶轮出口处的流动及其不均匀轮毂隔板两 通过CFD模拟计算分别计算出各工况下的扬程效率并 侧的水流在这里易发生相互撞.
做出相应的外特性曲线如图6所示.
原始模型 优化模型 10 2′ (a)0.2Q (b)040 130 150 00%500000500000500000500000%10001 Q/(m'h°) (c)0.60 (4)080 图6重新设计叶轮后的外特性曲线与原始叶轮比较 通过对比发现新的模型流量-扬程曲线与原始模型基本 吻合而新模型的流量-效率曲线得到明显改善在小流量工况 和大流量工况其效率值均有明显提升在设计流量下效率值 提高2.1%高效区大约拓宽20%左右-该水泵模型通过运用 交替加载设计方法重新设计叶轮水泵外特性得到明显优化 采用交替加载技术后在原始叶轮模型的出口处产生隔 （）100 ()120 板消除了水流在汇集到出口时的产生的撞击从而流态的得 图4叶轮流场分布 到改善以小流量工况下最为显著.
图7为H5600-500-650A的设计工况下叶轮改进前后出 (C)1994-2020 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. .cnki.net
大型灌排泵站改造应用研究 李端明张印肖若富等 163 口处的流速分布云图，叶轮旋转方向如箭头所示.
可以看出， m/s以上的区域占出口面积的大部分速度梯度小.
由此可以 两侧叶轮经过交错布置后出口的流态均匀性得到明显提高在 证明前盖板前加载后盖板后加载的混合加载方式能够改善 原始方案中呈现出明显的“射流-尾迹“区域射流的高速区 叶轮出口的“射流-尾迹“现象 位于叶片的工作面，尾迹靠近相邻叶片的背面高速区过于集 对于HS600-500-650A的叶片压力分布可以看到原始 中速度梯度大，改进后的叶轮出口流速分布均匀流速在18.4 （2）原始方案 (b）改进方案 图7HS600-500-650A叶轮出口流速分布 的叶片虽然没有形成比较明显的进口低压区，但是压力梯度变 化不均匀从进口到出口的等压线均呈现出不同程度的弯曲.
0 前盖板工作面 005 后盖板工作面 前盖板背面 而改进后的叶片压力梯度变化均匀.
总结发现，改进后的叶片 00 压力分布较为均匀这种叶片的混合加载形式能够有效避免因 300 后盖板背面 叶片前部过载或者后部过载造成的前后做功不均的弊端，从而 2 改善了双吸离心泵的效率和压力脉动的水平.
乐力P -100 -300 0.2 相对流线长度m 0.4 0.6 8′0 1.0 （2）始方案 600 500 前湿板工作面 前盖板背面 400 后温板背面 后盖板工作面 300 200 100 0 -200 -300 0.2 粗对流线长度m 04 0.6 0.8 1.9 (b）改进方案 图9HS600-500-650A的叶片压力分布 2.3优化前后压力脉动对比分析 为进一步研究优化前后的内部流态对模型进行压力脉动 (）原始方案 (b）改进方案 监测，压力脉动测点设置在进水流道、叶轮和出水流到上.
如 图10所示进水流道的进水口处上下各设置一个测点SUC4、 图8HS600-500-650A叶片工作面压力分布图 SUC5进水流道最高点设置测点SUCI进水流道出口设置两个 图9为原始方案和改进后方案的叶片前后盖板工作面和 测点SUC2、SUC3；叶轮叶片流道进口叶片流道中间和叶片流 背面的压力分布图原始方案的后盖板工作面受力处处都高于 道出口各设置一个测点，为IPM1、IPM2、IPM3；出水流道的隔舌 前盖板的工作面受力改进后方案的前后盖板压力曲线吻合度 处设置一个测点VOL1沿出水流道外墅隔90设置一个测 较高.
说明改进后的叶片不仅消除了原始叶片中沿流线方向 点为VOL2、VOL3、VOL4、VOL5出水流道出口处上下各设置 上的载荷不均，也同时消除了原始叶片中前后盖板的受力 一个测点VOL6、VOL7.
不均.
针对设计流量Q进行非定常压力脉动计算的对比分析.
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164 大型灌排泵站改造应用研究 李端明张印肖着富等 67.7738} 原始模型 67.7756 改进模型 67.7754 67.7752 67 775 0 67 7748- 图10测点位置 0.20 0.25 030 035 0.40 0.45 0.50 035 060 时间/s 非定常压力脉动计算中以定常计算结果为初始条件，计算10 (a) 个转轮周期每个周期计算180个时间步长同时监测压力随 0:0007 时间的变化 000006 原始模型 0:000 05 改进模型 将数值模拟计算得到的各个监测点压力值进行无量纲化 处理无量纲压力系数C，的定义如下： P-P 0:000 03 C = 1 (1) 0:000 02 000001 式中：P为各个监测点压力值：P为参考位置压力值采用进水 流道进水口的压力值：p为水的密度：为参考位置速度即进 009 0SS 00 9SF 00 9SC00C S2 00C 0S1 901 05 损率//Hz 水流道进水口的速度值.
(b) 如图11至图14所示为该型号双吸离心泵改进前后各监 图12流量为1.0Q时测点SUC4的时域图、 测点的时域图和频谱图.
通过H5600-500-650A双吸离心泵 频域图（HS600500-650A) 的主要参数得知，该双吸离心泵的转速为990r/min，转频为 16.5 Hz 叶频为 99 Hx 72 改进模型 原始模型 s 70 原始模型 改进模型 8 E 64 62 020 025 030 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 时间s (a) 0 0.35 0.40 0.45 0.50 055 0.60 时网s 0.9 (8) 0.8 原始模型 0.7 改进模型 0.6 原始模型 0.6 改进模型 0.5 0.5 0.4 0.3 0.2 R 0.2 0.1 0.1 0090550050500050000500005100105 新车/He 0090550050500050000500005100105 (b) 图13流量为1.00时测点VOL1的时域图、 (b) 域图(HS600500650A) 图11流量为1.0时测点SUC1的时域图、 1.452m下降了0.707m降低幅度为48.6%吸水室进口处的 域图(HS600500650A) 压力脉动幅值由原泵的1.447m下降了0.940m降低幅度为 从表4可以看出吸水室最高点压力脉动幅值由原泵的 65.0%左右蜗壳隔舌处的压力脉动幅值由原泵的2.451m下 (C)1994-2020 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. .cnki.net
