針對某低揚程立式蝸殼混流泵站更新改造的需要，在CFD 分析的基礎上開展該泵站模型裝置試驗研究工作，并提出了泵站更新改造的流程分析圖。對泵裝置模型進行了能量性能、空化性能、飛逸轉速和水力脈動的測試。試驗結果表明，在設計流量282 L/s 和揚程4. 7 m 工況下初步優化后的泵裝置在葉片安放角-1.3°時泵裝置效率提高了4%，達到了工程改造的預期目標。采用中高頻動態傳感器HM90 對不同工況的泵裝置水力脈動信號進行了采集和分析，得出葉輪進口和進水流道“ω”后壁處的脈動受工況的改變影響較小，葉輪進口流態受葉輪旋轉的影響較小，葉輪進口的主頻與轉頻相同，蝸殼壓水室的脈動主頻與轉頻成倍數關系。在保證葉輪中心線有足夠淹沒深度的情況下，泵站能安全可靠運行，該結論為立式蝸殼混流泵機組的穩定運行提供了科學依據，可為同類泵站的改造提供借鑒。

前言

　　泵站工程是重要的水利基礎設施，在大范圍內的農田和區域抗旱、防洪排澇、城鎮供水，污水排放和跨流域調水等方面起著關鍵的作用。結合南水北調東線某低揚程蝸殼混流泵站的更新改造，提出了泵站更新改造的流程分析圖，有計劃地進行泵站的水力性能更新改造。當前，國家正在推行大型灌排泵站的更新改造項目，對泵站更新改造制定的流程分析圖及改造的經驗可為同類泵站的更新改造提供一定的參考價值。為確保更新改造后的泵站能安全、穩定和高效地運行，需要對改造后的泵站進行模型裝置試驗研究。近幾年，學者們對泵裝置模型試驗的研究主要集中于軸流泵裝置和離心泵裝置試驗研究，而對混流泵模型裝置的試驗研究很少。本文以揚州大學江蘇省水利動力工程重點實驗室研發的混流泵水力模型為基礎，配合原泵站鐘形進水流道、雙螺旋蝸殼壓水室和出水流道組合成模型泵裝置，對該泵裝置進行能量、空化、飛逸和水力脈動試驗，并對試驗結果進行分析，為該泵站實際運行提供有價值的理論依據。

1、泵站更新改造研究思路

　　該泵站的改造僅限轉輪葉片的重新設計，對進、出水流道均不進行改造。通過葉片的重新設計提高泵站運行效率。針對該泵站更新改造的特點，制定了如下的改造分析流程圖，如圖1 所示。首先進行鐘形進水流道的水力性能計算獲取其出口斷面的流速分布，并將此流速分布作為葉輪設計的入流條件進行轉輪的初步設計及CFD 計算分析診斷其內部流態，若滿足要求則進行泵裝置全流道的水力性能計算及外特性預測，若沒達到工程要求則對水力模型進行修正，直至滿足工程要求后進行模型試驗，模型試驗結果也滿足要求則提交最終成果，若無則對轉輪和泵裝置水力計算模型分別進行修正。針對該泵站的更新改造，揚州大學江蘇省水利動力工程重點實驗室共設計了3 副水力模型，在江蘇省水利動力工程重點實驗室的高精度水力機械試驗臺進行了兩副水力模型的預研工作，最終優化后的一副水力模型參加了河海大學的同臺測試，并最終應用于實際泵站的更新改造，經更新改造后該泵站現運行情況良好。該泵站的改造思路可為其他泵站的更新改造提供參考。

圖1 泵站改造分析流程

2、泵裝置的CFD 分析

　　泵裝置的整體水力性能不僅取決于水力性能優良的進、出水流道設計，更取決于水力模型的優劣。針對該泵站的更新改造，分別進行了泵裝置部分與整體的水力性能數值計算，為模型試驗工作的開展奠定基礎。首先基于大型商用CFD 軟件ANSYS CFX 對鐘形進水流道進行獨立地數值計算，獲取其內部流場及出口斷面的軸向流速分布，數值計算結果如圖2 所示，圖2(b)、(c)和(d)中出口斷面軸向速度分布等值線均以各工況該斷面平均流速為參考值，即vi /vau，其中vi為斷面中各個節點的軸向速度，v au為斷面的平均軸向速度。鐘形進水流道出口斷面的流速分布作為葉輪設計的初始條件之一，采用簡單徑向平衡流動模型和二維葉柵面元法葉片造型初步設計了混流泵轉輪，又因泵站的最低揚程與最高揚程間差4.5m，平均揚程為4.6m，針對該泵站的特點，基于iSIGHT 優化設計軟件采用多目標約束函數對初步設計的轉輪進行優化，最初設計的轉輪如圖3(a)所示、最終優化后的轉輪如圖3(b)所示。最后對泵裝置進行全流道的三維湍流數值計算，獲得其內部流場，如圖3(c)所示。立式蝸殼混流泵裝置進水流道內部流態良好，無漩渦、回流出現，但雙螺旋蝸殼壓水室內流態較差，水力損失較大直接影響了泵裝置的水力性能。在數值計算分析的基礎上，對泵裝置進行模型試驗研究。

圖2 鐘形進水流道的數值計算

圖3 轉輪優化對比及泵裝置內部跡線圖

結論

　　針對泵站的更新改造，提出了一套泵站更新改造的方法，并給出了分析流程圖，對類似泵站的更新改造具有借鑒意義。在泵裝置模型試驗前，采用CFD 技術和iSIGHT 的優化平臺進行泵裝置和轉輪的前期預研工作是必要的。采用初步優化后轉輪的泵裝置在葉片安放角-1.3°，設計揚程工況時泵裝置效率相比原泵裝置提高了4%，達到了預期目標，在滿足葉輪中心淹沒深度的條件下，可滿足泵站實際運行的需要。在葉片安放角0°時，進水流道“ω”后壁和葉輪進口處的壓力脈動統計值與揚程的比值，如最大值、最小值和平均值均隨揚程的增加而減小，區間和標準差的變化范圍均很小，進水流道“ω”后壁處的主頻為2 倍的轉頻，葉輪進口處的主頻與葉輪的轉頻相同，葉輪進口側水力脈動幅值小于進水流道“ω”后壁處。蝸殼壓水室的脈動變幅較大，壓力脈動各統計參數均未呈現出規律性，各工況中的脈動波形未呈現出有規律的周期性，也表明了蝸殼壓水室內的流態紊亂，大流量工況時紊動大于最優工況。在工作揚程范圍內，該泵站的最大飛逸轉速為82.51r/min，為額定轉速的1.1 倍，考慮到葉輪直徑為5.7 m，需做好防止飛逸發生的工程措施。