高扬程大流量离心泵CFD水力优化设计

Hydraulic design optimization of centrifugal pump withhigh head and large capacity by using CFDGuo Jianping ，Gao Zhongxin ，Qin Daqing ，Xing Haixian(1.Yunnan Province Hydraulic Investigation，Design& Research Institute，Kunming，Yunnan 65005 1，China；2.China Institute ofWater Resom ces and Hydropower Research，Beijing 100038，China；3.National Engineering Research Center-Hydropowcr Equipment，Harbin Institute ot Large Electrical Machinery，Harbin，Heilongjiang 150040，China)Abstract：The impeller of hydraulic model HEC A934 was used as an initial impeller for the centrifu-gal pump to be developed，and its diameter was enlarged to an expected value while the outlet bladeangle kept unchanged，then the impeller geometry is going to be optimized.The meridian flow channelshape，number of blades，blade section profile，inlet and outlet blade angle and SO on were altered ac-cording to the lowest，design and highest head specifed by the pump user，the performance of thoseimpellers was estimated by means of CFD code·-CFX -TASCFlow to examine if the expected head-flowrate CUlWe has been achieved；if not，the alteration will be continued until an impeler with best per-formance is obtained.Further，the flow in the pump with this optimized impeller was simulated by U-sing Ansys CFX to check if the suction entry ，guide vane and volute casing have matched the impeller。

Finally，the corresponding model pump was measured Oil the high head test system II in HEC.It wasconfirmed that all the hydraulic parameters，namely，head，flow rate，efficiency，cavitation numberetc have，net the target values。

Key words：high-head and large capacity centrifugal pump；hydraulic optimization design；cavitation；computational fluid dynamics收稿日期：2012-10-15基金项目：国家自然科学基金资助项目(51139007)作者简介：郭建平(1961-)，男，云南建水人，高级工程师(okgjp###126.com)，主要从事水电站及泵站水力机械设计研究高忠信(1961-)，男，河北故城人，教授级高上，博士(gaozhx###iwhr.COITI)，主要从事水力机械内部流动及优化设计研究I 221 1l 利用 CFD技术开发新型泵、优化泵的水力特性、提高泵的性能等问题-直受到国内外学者的高度重视.徐伟幸等 总结了低比转数离心泵叶轮基于多 目标优化设计的方法和模型.王凯等 基于CFD技术研究了离心泵多工况条件下的水力性能优化设计问题，通过优化设计可在复杂工况条件下提高离心泵的能量指标.陈洪海等 在总结离心泵优化设计的各种数学模型的基础上，提出了改进和提高离心泵性能的发展方向.Anagn0stopou10s 提出了-种仅根据叶轮区域数值模拟的流场特性预测叶轮性能的方法，该方法可快速优化叶轮的几何参数使泵的效率得到改善.Caridad等 将叶轮的作用水头、叶片出口芭角作为流量的函数对叶轮进行修型的灵敏度分析，该方法可直接获得叶型修改对流量的影响，可更为有效地设计出所需的叶轮.Savar等 报道了通过不断修型对象叶轮，开发新型高效率目标叶轮的设计方法.Yang等 研究了叶轮特性曲线与叶轮直径、叶片包角、叶轮进口宽度以及叶片进口安放角的关系，并给出通过 Ansys-CFX数值计算和模型试验获取叶轮特性曲线的方法。

这些文献报道说明，利用 CFD技术和-定的优化方法，可对主要参数接近的对象叶轮进行修型和优化设计，快速开发新的 目标叶轮，并通过整体水力优化，设计出满足 目标要求的高性能离心泵.然而，对于要求在高海拔地区、复杂水力环境 中运行的高扬程、大流量、高性能的离心泵，相关的研究报道均较为鲜见。

云南省牛栏江-滇池补水工程干河泵站装机海拔高程 1 725.0 ITI，单机设计流量7.67 1TI /s，最大扬程233.3 m，最小扬程 185.8 1TI.泵站水力系统由上游水库、隧洞、调压井、进水主管、地下泵站系统、出水竖井和管道、地面出水池等组成，有压过水系统全长近 5 km.由于海拔高、扬程及其变幅大、管线长、流量大且要求供水流量变幅很小等特性，对所使用离心泵的综合性能提出了较高的要求，目前国内外尚无可满足该泵站要求的大型离心泵。

文中以该泵站大型离心泵的研发为背景，探索在高稳定供水要求(流量变幅很小)、大扬程变幅、高效、空蚀性能优良等多种因数及复杂水力条件下，大型高性能离心泵基于 CFD技术的优化设计问题。

1 叶轮优化设计优化设计过程使用了不同的计算软件.泵流道三维几何造 型使用 Pro/E，网格生成使用 AnsysICEM.对象叶轮修型设计 -性能预测的数值模拟使用 CFX-TASCFlow，全通道数值模拟及性能预测使用 Ansys CFX.泵内湍流使用标准 k- 模型描述，采用有限体积法和交错网格离散，控制方程的扩散项和源项采用二阶中心差分格式，对流项则采用混合格式，不可压条件用 SIMPLE算法处理.计算模型的进口边界为给定质量流量，出口边界为静压，流固界面为非滑移条件，涉及的动、静部件界面则采用滑移网格技术处理。

干河泵站水泵的设计工况点为扬程 219.3 m，流量7.67 m /s，经大量的比较计算和工程类比，并结合牛栏江汛期泥沙含量较高、颗粒硬度较大、泵站年利用小时高(7 111 h)等特点，选择 600，500 r/min等2个转速方案进行叶轮的优化设计，其对应的比转数分别为 106.50，88.78，在离心泵中属于中等比转数.在运行扬程变幅范围内，转速 600 r/min对应的比转数范围为 93.6～123.2；转速 500 r/min对应的比转数范围为 83.6～100.5。

哈电A934叶轮适用比转数范围为 100～140，该叶轮曾用于河南省宝泉抽水蓄能电站，泵进 口直径 1 920.0 mm，出口直径3 820.0 mm，额定转速500r/rain，真机最高效率93.53%，相应的参数指标较为接近牛栏江干河泵站.因此，经叶片数量的计算比较，选择 9叶片的哈电 A934模型叶轮作为本次优化设计对象叶轮，在此基础上通过修型优化开发适合于干河泵站使用的高性能离心泵。

对象叶轮不同转速方案的几何参数：对于额定转速600 r/min方案，叶轮模型进口直径为260 mm，出口直径 630 mm，导叶高度45.77 mm；对于额定转速500 r/min方案，叶轮模型进口直径为230.8 mm，出口直径 616 mm，导叶高度40.62 mm.由于不同转速方案的优化过程相同，文中仅以600 r/min方案的优化过程进行说明。

以预先拟定的泵 H-p特性为设计 目标，在保证叶轮出口角不变的情况下，利用切割定律将对象叶轮的出口直径延拓到 目标叶轮直径，形成待优化的目标叶轮.建立三维流道模型，用 CFX-TASC-Flow针对最大扬程、最小扬程以及设计扬程对应的工况点，通过不断修改叶片翼型和芭角，分析叶轮的流场特性，直至 CFD预测的H-Q特性接近或达到预期的目标特性，获得所需的目标叶轮.预定的H-Q目标曲线及优化得到的 H-9曲线如图 1所示，设计扬程工况点叶片芭角优化前后叶片 224 I水泵在运行区问的装置空化系数 。相比 和都有较大余量，叶轮叶片进 口边在运行范围内无空化.相关曲线如图 10所示(图中A1059为转速 500r/min方案对应的叶轮)，可见，在不同运行工况下，叶轮的临界空化系数为 0.06～0.27，初生空化系数为0.09～0.41。

图 10 水泵试验空化性能曲线模型试验实测的空化参数表明：① 初生空化系数是决定水泵装置空化系数的控制工况.② 当泵在小于设计流量下运行时，可保证水泵在无空化状态下运行.③ 若选择泵的吸上高度为 -21.22 In，相应的安装高程为 l 725.0 I1，则当泵在流量 8.0 m /s以下运行时，无论是临界空化还是初生空化都将有足够的安全裕量；当泵在流量 8.9 m /s以上运行时，开始出现初生 化.④ 当扬程处于 233.2～l87.4 m变化， 泵在额定转速运行时，平均扬程下的汽蚀余量 ⅣP5 Ⅲ与绝对效率下降 1%时的汽蚀余量 ⅣPs 的比值大于1.39，可以满足水泵的安全稳定运行；NPSH 与初生汽蚀余量 s 的比值为0.81～3.46，则不能满足水泵在无空化状态下运行，但若采刚变频方式运行，可改善泵的空化性能。

4 结 论结合河 站高扬程大流量新型离心泵的研发，探索了复杂[况下大型离心泵基于三维 CFD数值模拟技术的优化设计方法.优化设计以性能要求预定的水泵H-特性为 目标，在模型库中选择参数指标接近的叶轮，通过不断修形、流场分析 、性能预测的优化方法设计高性能大型离心泵的途径，获得 r能满足工程需要的高扬程大流量离心泵.CFD优化设计成果经模型试验验证，并经泵站系统水力特性分析证明，结果表明，优化设计开发的新型离心泵运行效率高，稳定性好，在变频运行条件下，在不同的扬程变化区间，其运行效率均能保持在 90%以上 。