李玲玉

(上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200093)

隨著城市化進(jìn)程的加速，豎井貫流泵因其流道損失小、開挖深度小且管理方便等特點(diǎn)在長(zhǎng)江中下游平原河網(wǎng)地區(qū)的低揚(yáng)程大流量泵站中得到廣泛應(yīng)用，其中包括特低揚(yáng)程的大流量泵站.豎井貫流泵不僅需要優(yōu)化進(jìn)出水流道流態(tài)，從而減小流道的水力損失，同時(shí)，水力模型的選擇、水泵模型參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)水泵機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行也非常重要，其關(guān)系到工程用電容量、投資造價(jià)和后期運(yùn)行管理難度.國(guó)內(nèi)一般采用等揚(yáng)程方法或參考接近比轉(zhuǎn)數(shù)的水力模型進(jìn)行選型計(jì)算和裝置模型試驗(yàn)[1].

在南水北調(diào)工程及國(guó)內(nèi)多個(gè)大型低揚(yáng)程泵站已開發(fā)研制的系列水力模型中，比轉(zhuǎn)數(shù)范圍500～1 600，對(duì)應(yīng)揚(yáng)程最高效點(diǎn)范圍2.5～11.5 m.系列模型中還未有針對(duì)1 m以下特低揚(yáng)程的水力模型.國(guó)外多用較低的比轉(zhuǎn)數(shù)模型滿足低揚(yáng)程的應(yīng)用[1]，如荷蘭艾莫伊等泵站和日本新川河排水站.中國(guó)近年來(lái)通過(guò)降低nD值在較低揚(yáng)程下使用，即采用低轉(zhuǎn)速大直徑方案進(jìn)行低揚(yáng)程和特低揚(yáng)程泵的選型，低轉(zhuǎn)速大直徑方案可提高低揚(yáng)程泵裝置效率，減小流速，從而減小水力損失[1-2].周偉等[3]對(duì)凈揚(yáng)程為1 m左右的遙觀南樞紐泵站工程進(jìn)行選型分析；于建忠等[4]對(duì)最高揚(yáng)程與平均揚(yáng)程相差較大的特低揚(yáng)程泵站選型分析.運(yùn)行凈揚(yáng)程在1 m以下的特低揚(yáng)程大流量泵站實(shí)例較少.

文中以寧波某豎井貫流泵站為例，對(duì)水泵模型參數(shù)的選擇進(jìn)行相關(guān)研究分析.泵站單泵設(shè)計(jì)流量37.5 m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程僅0.32 m，凈揚(yáng)程范圍0～1.22 m.文中針對(duì)其特低揚(yáng)程大流量的特點(diǎn)，采用豎井貫流泵方案，水力模型采用現(xiàn)有南水北調(diào)水力模型中高效區(qū)揚(yáng)程較低的TJ04-ZL-07，根據(jù)泵與泵裝置工作原理建立特性參數(shù)的數(shù)理關(guān)系，進(jìn)行泵段及裝置的相似換算比較分析，確定水泵性能參數(shù)，提出推算泵裝置效率的方法，并結(jié)合其CFD數(shù)值模擬計(jì)算和裝置模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為同類型特低揚(yáng)程大流量泵站選型計(jì)算提供參考.

1 泵段及泵裝置揚(yáng)程、效率特性表達(dá)

水泵選型一般采用泵相似定律將模型泵的特性參數(shù)換算成實(shí)型泵參數(shù).模型泵的特性參數(shù)可分為泵段參數(shù)和泵裝置參數(shù)，根據(jù)泵與泵裝置工作原理，泵段與泵裝置參數(shù)存在一定的數(shù)理關(guān)系.

1.1 泵相似定律

實(shí)型泵和模型泵流量、揚(yáng)程和功率之間的關(guān)系[1]分別為

(1)

(2)

(3)

式中：Q，H，P，n，D2和ρ分別為實(shí)型泵的流量、揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速、葉輪直徑和液體密度；QM，HM，PM，nM，D2M和ρM分別為模型泵的流量、揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速、葉輪直徑和液體密度.

1.2 泵段效率和泵裝置效率

根據(jù)能量守恒定律，泵段揚(yáng)程和泵裝置揚(yáng)程特性表達(dá)如式(4)，(5)所示.

HPS=E5-E4，

(4)

HD=E6-E3，

(5)

式中：HPS，HD分別為水泵泵段揚(yáng)程和水泵裝置揚(yáng)程；E1—E7分別為內(nèi)河清污機(jī)前、清污機(jī)后、進(jìn)水流道進(jìn)口、葉片進(jìn)口、導(dǎo)葉出口、出水流道出口及出水池?cái)嗝娴目偹^.

斷面位置如圖1所示.

水力學(xué)伯努利能量方程

(6)

式中：z，p和v分別為斷面的位置水頭、壓強(qiáng)和速度；g為重力加速度.

因此，泵裝置效率和泵段效率及流道水力損失的關(guān)系[5]為

(7)

(8)

(9)

式中：N為水泵軸功率；HJ為泵站凈揚(yáng)程，Δh1—Δh6分別為清污機(jī)、進(jìn)口閘門門槽、進(jìn)水流道、葉輪和導(dǎo)葉段、出水流道以及出口閘門門槽的水力損失.

圖1 泵站斷面總能和水力損失示意圖

1.3 流道損失

流道的水力損失與流道內(nèi)平均流速的關(guān)系[5]為

ΔhF=Δh3+Δh5=SQ2=S1v2,

(10)

式中：ΔhF為流道水力損失；S1為平均流速對(duì)應(yīng)的水力損失系數(shù)；S為流量對(duì)應(yīng)的水力損失系數(shù)；v為流道內(nèi)平均流速.

對(duì)不同葉輪直徑、不同設(shè)計(jì)流量的泵裝置流道的水力損失可采用名義平均流速[5]進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，進(jìn)出水流道內(nèi)設(shè)計(jì)流量時(shí)的流速基本上與其成正比.

(11)

式中：vn為流道名義平均流速；Qd為水泵設(shè)計(jì)流量.

2 選型計(jì)算比較分析

2.1 損失估算分析

根據(jù)多座泵站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[6-8]，泵站控制要求中,一般當(dāng)進(jìn)口清污機(jī)在污物引起的壓差值達(dá)到或超過(guò)0.20 m時(shí)發(fā)出清污信號(hào)；污物引起的壓差值達(dá)到或超過(guò)0.40 m時(shí)，發(fā)出警告信號(hào).據(jù)此進(jìn)口清污機(jī)水力損失Δh1取0.30 m，清污機(jī)、攔污柵和門槽的總水力損失(即Δh1+Δh2+Δh6)可估算為0.40 m.

根據(jù)已有研究成果和多個(gè)豎井貫流泵站數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的分析比較[9-11]可知，進(jìn)水流道損失隨流量的改變變化不大，而出水流道在小流量區(qū)域損失較大，在設(shè)計(jì)流量附近損失變化不大.例如：南水北調(diào)邳州站流道效率高，高效區(qū)進(jìn)、出水流道的損失約0.18 m.根據(jù)式(10)，(11)，采用邳州數(shù)值計(jì)算結(jié)果推算該工程在設(shè)計(jì)流量附近的進(jìn)出水流道損失(即Δh3+Δh5)約0.10 m，該結(jié)果與后期該工程CFD全流道數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果吻合.

2.2 泵段及泵裝置特性曲線換算分析比較

南水北調(diào)工程天津同臺(tái)測(cè)試的TJ04-ZL-07水力模型雖為高效區(qū)非系列軸流泵中最低的，但性能較優(yōu)，為天津同臺(tái)測(cè)試用最多的模型[1]，廣泛應(yīng)用于低揚(yáng)程泵站.南水北調(diào)工程邳州站運(yùn)行揚(yáng)程較低，采用TJ04-ZL-07水力模型在天津試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了裝置性能測(cè)試.

2.2.1 泵裝置特性曲線換算結(jié)果

根據(jù)式(1)—(3)，利用邳州站裝置模型曲線進(jìn)行實(shí)型泵換算，當(dāng)n=67 r/min,D=3 900 mm時(shí),換算的水泵裝置性能曲線見圖2.圖中水泵運(yùn)行高效區(qū)在設(shè)計(jì)揚(yáng)程和最高揚(yáng)程中間，若使高效區(qū)進(jìn)一步降低來(lái)接近設(shè)計(jì)揚(yáng)程，則需要進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)輪直徑D來(lái)降低nD值，這將大大增加泵站整體投資，因此，轉(zhuǎn)輪直徑暫定3 900 mm.葉片安放角接近0°，設(shè)計(jì)工況下裝置效率為72.0%；最高揚(yáng)程時(shí)，水泵裝置效率為78.5%.

圖2 水泵裝置特性曲線圖

2.2.2 泵段特性曲線換算結(jié)果

根據(jù)式(1)—(3)，利用邳州站泵段性能曲線進(jìn)行實(shí)型泵換算，當(dāng)n=67 r/min,D=3 900 mm時(shí),換算的泵段特性曲線見圖3.

圖3 泵段特性曲線圖

由圖3可知，水泵運(yùn)行高效區(qū)仍位于設(shè)計(jì)揚(yáng)程和最高揚(yáng)程中間，較裝置性能曲線換算結(jié)果更靠近設(shè)計(jì)揚(yáng)程.在設(shè)計(jì)工況時(shí)，葉片安放角約-1°，泵段效率為78.0%；最高揚(yáng)程時(shí)，水泵段效率為78.0%.

2.2.3 配套電動(dòng)機(jī)功率選擇

異步電動(dòng)機(jī)功率根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列選取，根據(jù)上述換算結(jié)果，得到不同工況的水泵運(yùn)行參數(shù)如表1所示，表中k為儲(chǔ)備系數(shù)，ηg為齒輪箱效率，PE為適合選用的電動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)額定功率.由表可知，利用裝置曲線換算結(jié)果對(duì)應(yīng)水泵軸功率較小，選取電動(dòng)機(jī)的額定功率較低.實(shí)際運(yùn)行中，在最高揚(yáng)程工況運(yùn)行時(shí)，存在電動(dòng)機(jī)出力不夠或過(guò)負(fù)荷運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn).特低揚(yáng)程泵站相比低揚(yáng)程泵站，水泵運(yùn)行揚(yáng)程越低時(shí)，流道損失占總揚(yáng)程比例越大，而邳州站模型裝置特性曲線nD為435，最優(yōu)工況點(diǎn)揚(yáng)程3.60 m，流道損失占總揚(yáng)程比例小，裝置效率偏高，以此裝置性能曲線換算本工程實(shí)型泵曲線效率誤差偏大，因此，采用泵段特性曲線換算結(jié)果更適用.

表1 水泵特征工況性能預(yù)測(cè)

2.3 泵段效率換算裝置效率高效區(qū)

表2為泵裝置效率預(yù)測(cè).

表2 泵裝置效率預(yù)測(cè)

由于流道損失對(duì)水泵裝置運(yùn)行效率有一定的影響，在無(wú)接近揚(yáng)程工況的裝置曲線可用時(shí)，可根據(jù)式(9)，采用泵段曲線工況點(diǎn)及對(duì)應(yīng)流道損失進(jìn)行換算，來(lái)預(yù)測(cè)nD值較低的裝置效率曲線高效區(qū)揚(yáng)程范圍.如表2所示，表中ηD為裝置曲線效率，采用泵段曲線0°葉片安放角下不同流量點(diǎn)性能參數(shù)進(jìn)行換算，預(yù)測(cè)水泵轉(zhuǎn)速為67 r/min時(shí)，裝置運(yùn)行最高效點(diǎn)在1.35 m左右，略高于邳州站裝置運(yùn)行曲線換算結(jié)果；預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，裝置運(yùn)行最高效點(diǎn)在1.05 m左右.預(yù)測(cè)結(jié)果說(shuō)明若采用的模型運(yùn)行揚(yáng)程較高，而實(shí)型泵運(yùn)行揚(yáng)程大幅降低，nD大幅降低時(shí)，水泵裝置性能曲線的高效區(qū)在相似換算基礎(chǔ)上會(huì)整體上移.

3 CFD計(jì)算及模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證泵型選擇的結(jié)果，常采用CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)泵裝置進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化計(jì)算[12-14]，并按比例縮小后進(jìn)行裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)證.

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

采用CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，結(jié)合設(shè)計(jì)初擬流道斷面尺寸，分析泵段進(jìn)口處流速分布均勻性及速度矢量角度，對(duì)流道豎井末端處尺寸、豎井末端至葉輪的距離進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)葉輪直徑為3 900 mm、轉(zhuǎn)速為67 r/min、葉片安放角為0°時(shí)不同流量下的水泵實(shí)型裝置進(jìn)行全流道數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如表3所示，獲得的最高效工況點(diǎn)在流量35 m3/s、揚(yáng)程1.35 m左右，這一結(jié)果和表2預(yù)測(cè)結(jié)果流量34.00 m3/s、揚(yáng)程1.35 m較為接近.

表3 數(shù)值模擬計(jì)算水泵裝置性能

3.2 模型試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，水泵裝置模型在河海大學(xué)水力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行.水泵裝置模型包括豎井進(jìn)水流道、導(dǎo)葉及葉輪段和出水流道.模型水泵葉輪直徑300 mm，模型水泵與實(shí)型水泵流道尺寸完全相似[15].泵裝置模型如圖4所示.模型試驗(yàn)采用等揚(yáng)程方法進(jìn)行研究.

圖4 水泵裝置模型

當(dāng)n=67 r/min,D=3 900 mm時(shí),分別對(duì)水泵裝置模型進(jìn)行了5個(gè)葉片角度下的能量試驗(yàn)，結(jié)果如圖5a所示.由圖可見，0°和+2°葉片安放角對(duì)應(yīng)工況最高效點(diǎn)揚(yáng)程均在1.40 m左右，與表1預(yù)測(cè)揚(yáng)程高效點(diǎn)揚(yáng)程1.35 m接近，說(shuō)明采用泵段效率換算裝置效率高效區(qū)的方法較為準(zhǔn)確.

另外，由于模型試驗(yàn)結(jié)果中流量略大于表2預(yù)測(cè)及表3數(shù)值模擬結(jié)果，同時(shí)高效區(qū)中心由原泵段曲線中0°葉片安放角偏移至+2°安放角，且高效區(qū)揚(yáng)程偏高，為使實(shí)際運(yùn)行中水泵能長(zhǎng)時(shí)間在高效區(qū)運(yùn)行，將實(shí)型泵轉(zhuǎn)速由67 r/min下調(diào)至60 r/min，模型試驗(yàn)結(jié)果如圖5b所示，圖中最高效點(diǎn)揚(yáng)程在1.10 m左右，與表2預(yù)測(cè)揚(yáng)程高效點(diǎn)揚(yáng)程1.05 m接近.

圖5 模型試驗(yàn)換算實(shí)型泵裝置性能曲線

4 結(jié) 論

1) 針對(duì)特低揚(yáng)程泵站，可利用現(xiàn)有南水北調(diào)的低揚(yáng)程水力模型降低nD值進(jìn)行選型計(jì)算.

2) 隨著豎井貫流泵轉(zhuǎn)輪直徑D的增大，流道內(nèi)平均流速降低，流道水力損失降低.但水泵流道損失占裝置總揚(yáng)程比例較高，凈揚(yáng)程1 m以下的豎井貫流泵裝置最優(yōu)工況效率與揚(yáng)程為3 m左右的水泵相比低了約6%，故采用運(yùn)行揚(yáng)程差距較大的模型裝置特性曲線換算實(shí)型泵誤差偏大，采用模型泵段特性曲線換算結(jié)果更準(zhǔn)確.

3) 通過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，采用泵段效率和泵裝置效率換算公式，對(duì)泵段曲線工況點(diǎn)及對(duì)應(yīng)流道損失進(jìn)行換算，可較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)nD值較低的裝置效率曲線高效區(qū)揚(yáng)程范圍.