方 進(jìn)，晏清洪

(1.安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 和縣 238251；2．中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水利研究所，北京 100044)

泵裝置模型試驗(yàn)是檢驗(yàn)和優(yōu)化泵裝置水力性能的重要手段[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)不同類(lèi)型的軸流泵裝置開(kāi)展了大量模型試驗(yàn)研究[1-11]。混流泵性能介于離心泵和軸流泵之間，具有流量、揚(yáng)程變化范圍大，高效區(qū)寬，無(wú)明顯不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，在大型調(diào)水工程中的應(yīng)用日益廣泛[12]。目前，關(guān)于混流泵裝置模型試驗(yàn)研究成果的報(bào)道較少[13-15]。本文對(duì)滁河四級(jí)站的混流泵裝置開(kāi)展模型試驗(yàn)研究。

1 工程概況

滁河四級(jí)站屬于駟馬山灌渠的最后一級(jí)提水泵站，其設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程、最低凈揚(yáng)程和最高凈揚(yáng)程分別為16.4、14.9和17.9 m，設(shè)計(jì)裝機(jī)為8臺(tái)套(7用1備)，設(shè)計(jì)抽水流量為71.4 m3/s。泵站的水泵采用立式半調(diào)節(jié)混流泵，葉輪直徑為1.856 m，配套電動(dòng)機(jī)為立式同步電機(jī)，單機(jī)功率2 800 kW，額定轉(zhuǎn)速250 r/min。

滁河四級(jí)站的進(jìn)水流道為肘形進(jìn)水流道，而出水流道采用彎直管式的鋼制管道，管道爬坡延伸至出水池，出水流道長(zhǎng)約40 m。經(jīng)過(guò)優(yōu)化比選，泵站采用南水北調(diào)工程天津同臺(tái)試驗(yàn)比選中的優(yōu)秀水泵模型----混流泵模型TJ11-HL-08。泵站系統(tǒng)的縱剖面結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。

2 泵裝置模型試驗(yàn)

在保證泵站控制性結(jié)構(gòu)尺寸不變的基礎(chǔ)上，利用CFD對(duì)泵站進(jìn)出水流道進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，確定流道的型線尺寸，并與TJ11-HL-08水泵模型組成高效泵裝置，開(kāi)展泵裝置模型的能量特性、空化特性、飛逸特性和壓力脈動(dòng)特性等試驗(yàn)。

圖1 滁河四級(jí)站縱剖面結(jié)構(gòu)布置圖

2.1 高精度閉式試驗(yàn)臺(tái)介紹

模型試驗(yàn)在江蘇大學(xué)國(guó)家水泵工程中心高精度多功能水泵閉式試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)的各種量測(cè)儀器設(shè)備的隨機(jī)不確定度控制在±0.1%以內(nèi)，效率綜合不確定度優(yōu)于0.32%。為保障試驗(yàn)泵在做空化時(shí)循環(huán)泵不發(fā)生空化現(xiàn)象，試驗(yàn)臺(tái)采用立式結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)臺(tái)的水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 泵裝置模型試驗(yàn)方案

依據(jù)《水泵模型及裝置驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》SL140-2006，泵裝置模型的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速nm按照原型與模型的nD值相等的條件確定。原型泵葉輪直徑Dp為1.856 m，額定轉(zhuǎn)速np為250 r/min，模型泵葉輪直徑Dm為0.32 m，計(jì)算得到模型泵裝置的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速nm為1 450 r/min。

根據(jù)相似原理對(duì)水泵葉輪、導(dǎo)葉以及進(jìn)、出水流道進(jìn)行了全模擬，所有過(guò)流部件保證幾何相似，尺寸由同一模型比計(jì)算確定。模型泵葉輪導(dǎo)葉通過(guò)數(shù)控加工，模型流道通過(guò)電腦放樣鋼板焊接，流道內(nèi)部表面加涂層，既滿足幾何相似又滿足糙率相似得要求。換算得到的模型泵裝置方案見(jiàn)圖3。

圖3 模型泵裝置原方案

由圖3可知，按原型結(jié)構(gòu)尺寸換算后的模型泵裝置出水管道較長(zhǎng)，且向上坡度較大，導(dǎo)致無(wú)法直接接入出水罐。若附加接管及彎頭，則導(dǎo)致模型泵裝置的出水流道與原型不完全相似，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。而且由于模型試驗(yàn)系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，重力的作用可忽略不計(jì)。因此，筆者對(duì)試驗(yàn)方案做了如下改進(jìn)：將坡度向上的出水管道部分繞流道的對(duì)稱軸O-O旋轉(zhuǎn)180°，使流道坡度向下。這樣導(dǎo)致了流道的出口過(guò)低，仍然無(wú)法接入出水罐中。于是，把流道出口的彎頭前移，再把傾斜直管段的一部分移至彎頭后面，變成水平直管段，并保持流道的總長(zhǎng)度不變，詳見(jiàn)圖4。因?yàn)槌鏊鞯罏榈葟焦?，能夠保持流速不變，所以彎頭在管道中的前后位置不影響其管道總體水力損失的大小，保證了出水流道的模型與原型保持水力損失相似。模型泵裝置系統(tǒng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖5。

圖4 模型泵裝置試驗(yàn)改進(jìn)方案

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.3 模型泵裝置能量特性試驗(yàn)

利用改進(jìn)的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了模型泵裝置5個(gè)不同的葉片角度(+4°、+2°、0°、-2°、-4°)的能量特性，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)中對(duì)各種流量下模型泵裝置的進(jìn)水流道流態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)，未見(jiàn)發(fā)生有害的旋渦和渦帶 。

圖6 能量特性曲線

2.4 模型泵裝置空化特性試驗(yàn)

泵裝置空化余量實(shí)際是帶進(jìn)水流道條件的泵的空化余量?？栈囼?yàn)的基準(zhǔn)面應(yīng)取在最易發(fā)生空化部位的水平面，對(duì)于立式混流泵，應(yīng)以過(guò)模型泵轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口外緣的水平面為基準(zhǔn)計(jì)算模型泵裝置的許用空化余量[NPSH]。首先保證在不產(chǎn)生空化的情況下測(cè)定第一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，然后保證流量不變和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速恒定，對(duì)封閉循環(huán)系統(tǒng)抽真空，并逐漸加大真空度，對(duì)每一個(gè)流量工況點(diǎn)應(yīng)逐漸降低試驗(yàn)循環(huán)水體系統(tǒng)的空化余量(NPSH)。取水泵裝置效率下降1%時(shí)的空化余量作為臨界值，以NPSHc表示。在空化試驗(yàn)曲線即將發(fā)生斷裂的區(qū)域應(yīng)有較密集的試驗(yàn)點(diǎn)。

分別對(duì)5個(gè)葉片角度進(jìn)行了空化試驗(yàn)，每個(gè)葉片角測(cè)試了5個(gè)工況點(diǎn)，0°葉片角空化試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。原型泵裝置的綜合特性曲線如圖7所示。

表1 水泵模型裝置空化特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)(0°)

圖7 原型泵裝置綜合特性曲線

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果和原型泵裝置綜合特性曲線可知，在葉片安放角0°時(shí)，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為16.4 m工況下，單臺(tái)機(jī)組流量為12.3 m3/s，最高裝置效率可達(dá)83.0%。泵裝置性能參數(shù)不僅滿足設(shè)計(jì)要求，而且性能優(yōu)異。

由表1空化特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，泵裝置在最優(yōu)工況點(diǎn)附近空化余量最小，偏離最優(yōu)工況點(diǎn)，在高揚(yáng)程和低揚(yáng)程工況下運(yùn)行空化余量均較高，偏流最優(yōu)工況點(diǎn)越遠(yuǎn)，空化余量增加得越多。由于在最高凈揚(yáng)程時(shí)葉輪的淹沒(méi)深度最小，可用此工況來(lái)校核葉輪的淹沒(méi)深度。在最高凈揚(yáng)程時(shí)，葉輪最小淹沒(méi)深度為4 m，0°葉片安放角度下的臨界空化余量為9.9 m，因此葉輪中心的最小淹沒(méi)深度完全滿足泵裝置的空化性能要求。

2.5 模型泵裝置飛逸特性試驗(yàn)

飛逸試驗(yàn)時(shí)利用循環(huán)輔助泵反向供水，使水泵在水輪機(jī)工況下反轉(zhuǎn)，在軸扭矩為0時(shí)，測(cè)量不同水頭下飛逸轉(zhuǎn)速值，并計(jì)算出平均單位飛逸轉(zhuǎn)速。

單位飛逸轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：N0為單位飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；nf為試驗(yàn)的飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；D為葉輪名義直徑，m；H為模型試驗(yàn)水頭，m。

試驗(yàn)測(cè)試了0°葉片角條件下的飛逸轉(zhuǎn)速，平均單位飛逸轉(zhuǎn)速為176.5 r/min，詳見(jiàn)表2。

表2 0°飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

飛逸轉(zhuǎn)速與水頭、葉片安放角度有關(guān)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到葉片角0°工況下的原型泵飛逸轉(zhuǎn)速。

葉片角0°工況下，原型泵裝置隨揚(yáng)程的飛逸轉(zhuǎn)速變化曲線如圖8所示。

圖8 飛逸特性曲線

2.6 模型泵裝置壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

依據(jù)《水力機(jī)械振動(dòng)和脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》GB/T 17189-2007，試驗(yàn)采用高頻壓力傳感器對(duì)泵進(jìn)出口處以及葉輪出口導(dǎo)葉進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量采樣頻率1 500 Hz,記錄時(shí)間15 s，壓力脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖9。

在0°葉片角，對(duì)模型泵裝置的葉輪進(jìn)口、葉輪出口和導(dǎo)葉出口壓力脈動(dòng)進(jìn)行了測(cè)定，圖10～圖12所示為3個(gè)不同工況點(diǎn)下的壓力脈動(dòng)曲線。

圖9 壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖10 葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)

圖11 葉輪出口壓力脈動(dòng)

圖12 導(dǎo)葉出口壓力脈動(dòng)

對(duì)水壓脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果采用97%置信度雙幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最大脈動(dòng)幅值在2.4 m以內(nèi)，主要出現(xiàn)在葉輪出口位置。因此總體看，該泵的內(nèi)部流動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)對(duì)泵性能的影響較小，不會(huì)引起明顯的振動(dòng)和噪聲。振動(dòng)的主頻主要為水泵的葉頻、軸頻及其倍頻。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)滁河四級(jí)站混流泵裝置形式，在保證原型泵裝置和模型泵裝置出水流道水力損失相似的條件下，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新型模型泵裝置試驗(yàn)形式，在試驗(yàn)臺(tái)成功布置出水流道較長(zhǎng)、坡度較大的混流模型泵裝置，保證了試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確順利開(kāi)展，可供類(lèi)似泵站模型試驗(yàn)研究參考和借鑒。

由滁河四級(jí)站的泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果可知，泵站進(jìn)出水流道型線設(shè)計(jì)效果良好，水泵模型選型準(zhǔn)確，泵裝置總體性能優(yōu)良，可在不同特征工況下安全、穩(wěn)定運(yùn)行，能夠滿足滁河四級(jí)站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求。

混流泵性能介于離心泵和軸流泵之間，具有流量、揚(yáng)程變化范圍大，高效區(qū)寬，無(wú)明顯不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，在大型調(diào)水工程中的應(yīng)用日益廣泛。滁河四級(jí)站的建設(shè)方案和性能參數(shù)可供同類(lèi)型混流泵站借鑒和采用。

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