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摘要：提升泵是净水厂运行的重要组成部分和保障，对于其发生的问题进行及时的分析和处理能保证净水厂的正常运行。本文以某水厂提升泵的叶片断裂事故为例进行探讨，分析了轴流泵叶片断裂的原因，给出了两个方面的改进措施，结合现场运行测试结果可知，采用高比转速斜流泵来替代轴流泵能有效减少泵内部的汽蚀现象。
关键词：轴流泵；斜流泵；高比转速；叶轮；汽蚀；CFD
引言
随着我国经济的不断增长，生产和生活用水量大大增加，自来水厂的建设得到了良好的发展。但是在运行的过程中，水厂里的提升泵容易发生汽蚀故障的问题，严重影响了水厂的正常运行。因此如何对此现象进行分析并采取合适有效的治理措施成为了工作人员需要解决的问题。下面就此进行讨论分析。
1 工程概况
我司当前供水能力是64万m3，拥有独立的制水系统三套。其中某一工程设计规模30万m3/d，工艺中设有1座提升泵房。
备有五台立式潜水轴流泵，常规时，泵的扬程为4米；泵运行良好，只有轻微振动；深度时，流量为3700m3/小时，扬程为8米；泵振动激烈，并伴随轴流泵叶片断裂的现象，如图1所示。
图1 叶片断裂后的轴流泵内部
2 轴流泵叶片断裂原因分析
引起轴流泵叶片断裂的原因主要有以下两方面。
（1）当泵运行工况点的扬程提高之后，轴流泵实际运行在小流量工况，而小流量工况下的轴流泵内部流场常常伴随着冲击、二次流、泄漏涡及汽蚀等现象，使得泵运行过程中振动激烈。
（2）通过查看泵房剖面图（见图2）及提升泵安装图，发现提升泵站水泵进水条件差，进水流道的长度（喇叭管中心至进水口的距离，1300mm）约为喇叭管进口直径（810mm）的1.6倍，少于目前国外泵站设计规范的3倍要求。进水流道短，难以恢复90°直角转弯进水形成的不稳定水流。另外，喇叭吸入口距离池底的垂直距离小，受叶片高速旋转影响，其产生的预旋容易导致在喇叭管进口处产生附壁涡、附底涡等漩涡，同时也降低了叶片进口前的压力，加剧了汽蚀现象。结合图1可以看出，喇叭吸入口与转轮室相结合处产生了密密麻麻的凹坑，这证明了在该处产生了强烈的汽蚀作用，而叶片为不锈钢材料，其抗汽蚀能力强，虽然表面无汽蚀损坏的迹象，但并非没有汽蚀。
图2 泵房剖面示意
3 改进措施
通过以上原因分析，基于以下两个方向进行改进设计。
3.1 采用高比转速斜流泵来替代轴流泵
高比转速斜流泵具有高效范围宽、适应扬程范围大、抗汽蚀性能好等优点，主要用于农业灌排水、市政给排水等行业。且随着计算流体力学和试验手段的不断发展，相关学者已经从不同方面，如外特性、内部压力脉动和内部流场可视化等做了大量的研究。为避免轴流泵因工况变化范围大而运行在小流量区域内，造成泵内部流动不稳定和振动等因素，因此，考虑采用高比转速斜流泵来替代轴流泵。
鉴于前人利用CFD数值计算方法在泵领域的成功应用案例，本文也采用该方法来对新设计的斜流泵叶轮进行性能预测，以保证设计的高效点为现场所要求的运行工况点。
3.1.1 网格划分
对导叶区域采用六面体结构化网格划分方式，选用H/O型拓扑结构。而其他区域采用四面体网格，并对叶轮区域进行局部加密。最终的网格效果如图3所示。
图3 计算区域网格示意
3.1.2 计算方法
数值分析时采用时均N－S方程作为基本控制方程，调用标准k－ε双方程湍流模型。采用二阶精度上风格式，基于微元中心有限体积法空间离散方式。并通过SIMPLICE算法实现压力速度的耦合求解。设置收敛精度为0.0001。
3.1.3 计算结果
合理的压力分布是判别泵内部流态的一个重要参数指标，同时也是检查CFD数值计算是否收敛的一个依据。图4表示了整个装置内部的静压云分布。
图4 装置内部静压分布
从图4中可以看出，整个装置内压力分布均匀，叶片表面压力梯度分布明显，可以作为计算收敛的一个依据。压力分布梯度无明显过度，从另外一个角度也说明泵内部的流态过度比较平稳，并没有出现明显的撞击和速度突变现象。
图5为整个装置的内部流线图。从图5可以看出，喇叭型进水流道内流态均匀无漩涡，并且能够进行有效的整流和引流作用，真正实现叶轮的无预旋来流速度进口条件。
图5 整个装置内部三维流线
从图6叶轮与导叶内部流线图可以看出，叶轮进口角度安放合适，无明显撞击现象。并且叶轮叶片附近流线紧贴叶片的压力面和吸力面，无脱流现象，这也保证了叶轮的高效率性能。同时，水流从叶轮内部向导叶过度的时候，导叶进口边也没有产生明显的撞击现象，说明导叶与该叶轮的匹配完全合适；另外导叶流道内部没有产生漩涡，证明导叶的扩散度选择合理，没有导致脱流现象，减小扩散损失、二次流等损失。另外，还可以看到电机一圈的流线基本上沿着轴向向上，即切向分速度很小，说明导叶已经有效地消除了圆周方向的分速度，达到了整流的作用。当水流冲击到最上面的混合部分时，水流整体有序的向出口方向流出，并未出现水流缠绕着前进，也没有出现水流撞击壁面后改变方向后而影响主流原始运动轨迹，更没有出现因为转弯而发生脱流现象。因此从整体上来分析，这样的几个过流部件的组合是合理的。
图6 泵段内部三维流线
外特性预测结果见表1。
表1 外特性预测结果
3.1.4 试验结果
改进的斜流泵在试验台上进行了测试，图7给出了外特性的试验结果。通过外特性试验结果得知，电泵机组最高效率为69.99％，此时流量、扬程分别为3481.56m3/h和8.44m。且在流量为3702.71m3/h工况下，扬程为7.51m，效率为66.57％。
图7 外特性试验结果
3.2 优化斜流泵的水力设计
（1）提高斜流泵叶轮与池底的垂直距离，以防止附底涡和附壁涡的产生，优化叶轮进口前的来流状态；
（2）增加斜流泵叶轮进口前的过流面积，因为汽蚀主要是由于叶片附近的静压过低造成，而静压过低大多因为当地流速过快，对原有轴流泵进行分析，发现其叶轮进口处的过流面积为0.11m2，进口流速为9.1m/s，因此，决定加大改型设计后的斜流泵进口面积至0.14m2，使得进口流速下降至7.1m/s，提高其汽蚀性能；
（3）光顺整个过流部件内部的壁面形状，采用全流道式导叶设计，以避免因局部壁面突变而形成漩涡，从而造成局部汽蚀现象，如图8所示。
图8 流道结构示意
根据现场的实际运动工况点，其流量Q＝3700m3/h，扬程H＝8m，转速n＝740r/min，比转速ns＝575.6。最终设计的斜流泵过流部件和过流通道的装配三维示意如图9所示。
图9 过流部件及过流通道的三维装配示意
4 现场运行测试结果
改进的提升泵在工程中实际使用后，运行平稳，噪声低于75ｄＢ，完全满足使用要求。利用便携式状态监测仪，在深度处理的工况下，对相应井筒的上盖进行振动数据测量，共进行了21次采集，振动结果见表2。其中1＃～4＃泵为更换过原始叶轮的轴流泵，5＃泵为此次改进后的斜流泵。
从表2中可以看出，5＃改进的提升泵的振动要明显小于其他四种。
表2 各个提升泵的振动采集结果
注：括号内数值为平均值。
工程提升泵新泵型在工程现场运行一年后进行实物观测，叶轮及流道部分，没有汽蚀破坏的现象，状态良好，取得了很好的效果。根据目前的设备实际使用情况和大量的运行数据表明，工程提升泵新泵型的开发成功，对于提高设备管理水平、节能降耗以及进口设备国产化有着积极的意义。
5 结语
综上所述，经过分析，我们可以知道上文所提及的例子是因为原始泵偏离了设定运行工作状况过多以及内部汽蚀严重，才导致的叶片断裂。通过分析后，使用高比转速斜流泵来替换原来的轴流泵，并对其水力进行优化设计，明显降低了提升泵内部的汽蚀现象，保证了水厂的正常运行。
参考文献：
[1]杨华，孙丹丹，汤方平，等．轴流泵非稳定工况下叶轮进口流场试验研究．排灌机械工程学报，2011，29（5）.
[2]施卫东，张华，陈斌，等．不同叶顶间隙下的轴流泵内部流场数值计算．排灌机械工程学报，2010，28（5）.
论文作者:周建军
论文发表刊物:《基层建设》2015年12期
论文发表时间:2016/11/17
标签：轴流泵论文; 叶轮论文; 叶片论文; 工况论文; 现象论文; 扬程论文; 转速论文; 《基层建设》2015年12期论文;