望江县漳湖圩漳湖站水泵装置模型试验性能研究

望江县漳湖圩漳湖站水泵装置模型试验性能研究

周侃1，徐卫星2

安徽水安建设集团股份有限公司 合肥经济技术开发区紫云路1288号 230601

2望江县水利局 安徽省安庆市望江县华阳镇新桥西村43号 246200

摘要：为验证漳湖站水泵装置的水力性能，对漳湖站立式混流泵装置进行了模型试验研究。在高精度水力试验台上对该站立式混流泵装置进行了能量特性、空化特性和飞逸特性的物理模型试验，以获取水泵装置的综合特性。试验结果表明：立式混流泵装置水力性能优异，在叶片安放角-2.6°时水泵装置最高效率为85.3%，此时水泵装置的流量为0.339m3/s，扬程为8.84 m。原型泵装置在叶片安放角-2°时，各扬程工况下临界气蚀余量均在10 m以内，满足气蚀性能要求。水泵装置的单位飞逸转速随叶片角度增加而减小，在叶片角度-2°时，最高净扬程11.22m下的最大飞逸转速为额定转速的1.79倍。

关键词：立式混流泵；泵装置；模型试验；

0 引言

混流泵性能介于离心泵和轴流泵之间，具有流量、扬程变化范围大，高效区宽，无明显不稳定运行区等优点，在我国大型调水工程中应用日益广泛。为检验水泵装置的水力性能，确保泵站建成后在运行范围内能够安全、稳定、高效运行，对泵装置进行模型试验研究[1-5]，并对试验结果进行对比分析是一种重要手段。近年来，国内外学者对泵装置开展了大量模型试验研究。陆伟刚等[6]通过模型试验来检验前置竖井贯流泵装置的外特性并提出改进措施。谢传流[7]等通过轴流泵装置物理模型试验，对比分析3 副轴流泵叶轮的能量性能，更加合理地优选出适合泵站运行的水泵叶轮。孙丹丹[8]等以徐州市睢宁县凌城泵站改造为背景，对凌城泵站立式轴流泵装置进行物理模型试验，检验该泵装置的水力性能。关于混流泵装置模型试验研究成果的报道较少。本文对望江县漳湖圩漳湖站的立式混流泵装置开展模型试验研究，分析其能量、空化及空化特性，为指导泵站运行及类似泵站开发设计提供借鉴。

1工程概述

漳湖泵站位于长江下游北岸望江县漳湖圩排水区，排湖工况设计流量为105m3/s，排圩工况设计流量为91.5m3/s，共安装6台立式全调节混流泵，水泵叶轮直径2200mm、额定转速为200r/min。排湖工况设计净扬程5.72 m，排圩工况设计净扬程7.87 m。

2 模型装置试验

2.1 模型泵概况

漳湖泵站为立式混流泵装置，肘型流道进水、平直管出水。模型泵采用TJ11-HL-04水泵水力模型，模型泵叶轮直径320mm，模型比尺为1:6.875[9]。模型叶轮叶片数为3，采用铸铜材料数控加工成型。模型导叶叶片数为7，导叶片采用钢板数控加工成型，导叶体外壳和进出水流道均采用钢板焊接而成。模型泵装置如图1所示。

图1  漳湖泵站水泵模型装置

Fig.1 Pump model device of Zhanghu pump station

2.2 试验台布置

泵装置模型试验在扬州大学测试中心的高精度水力机械试验台上进行。试验台为立式封闭循环系统，如图2所示。

注：1.进水箱；2.受试泵装置及驱动电机；3.压力出水箱；4.分叉水箱；5~6.流量原位标定装置；7.工况调节闸阀；8.稳压整流筒；9.电磁流量计；10.系统正反向运行控制闸阀；11.辅助泵机组。

图2  高精度水力机械试验台

Fig.2 High precision hydraulic machinery test bench

试验台水力封闭循环系统的总长度为60.0m，管道直径为0.5m，仅在安装电磁流量计的前后10倍直管段为直径0.4m管道，整个系统水体积为50m3。

试验台可进行泵装置模型能量试验、空化试验、飞逸特性试验和水压力脉动试验；水轮机工况试验；模型泵装置过渡特性、内特性试验；可对电磁流量计进行原位校验。

2.3 试验测试方法

2.3.1试验转速

采用直流整流器调节模型泵装置试验电机转速。按照原模型泵装置nD相等的方法确定模型泵的转速为1375r/min，实际试验转速为1375r/min。

2.3.2扬程测量

采用智能差压变送器测量，测量范围0~25 m水柱。

2.3.3 流量测量

泵装置模型的流量采用电磁流量计直接测量。

2.3.4 轴功率测量

泵装置模型机械损失转矩主要由轴承与轴封摩擦损失等造成，在机组无水运转时测出。每次调整叶片安放角度后先测试空载转矩，再充水进行性能试验。泵轴的转速和输入转矩，由安装于驱动电机和水泵轴之间的转速转矩传感器直接测得。轴功率由下式计算：

。（1）

式中：M为模型泵输入转矩，单位为N・m；M'为模型泵机械损失转矩，单位为N・m；n为模型泵试验转速，单位为r/min。

2.3.5转速测量

通过电磁感应原理测得安装于转速转矩传感器轴上的齿轮在采样周期T（秒）内转过的齿数m，在齿轮的齿数为120齿，则在采用周期时间段内泵轴的转速即为：

。（2）

2.3.6气蚀余量测量

空化试验保持流量不变，通过封闭循环系统内抽真空，逐步减小系统压力的方法，使泵内发生空化。不同系统压力下的泵装置有效空化余量值由下式计算：

。（3）

式中：NPSHav为泵装置有效空化余量；Pav——泵装置进水箱测压点的绝对压强；v——泵装置进水箱测压断面平均流速；Pv——试验水温下水的饱和蒸汽压强；h——绝对压力变送器高于泵叶片旋转中心线（泵轴）的高度值。

测试过程中，流量保持常数，效率下降1%确定为临界空化余量。

2.3.7飞逸特性测量

飞逸试验水头由辅助泵提供，脱开扭矩仪与电机之间的联轴器，调整辅助泵的转速，测得不同水头下模型泵装置反转且输出力矩为零时的转速和流量。飞逸特性可用单位转速和单位流量表示，按下式计算：

。（4）

。（5）

式中：为单位转速，r/min；——单位流量，m3/s；D——叶轮名义直径，m；H——上下游总水头差，m；——H值下测得的转速，r/min；——H值下测得的流量，m3/s；

将单位转速趋于稳定时的数值作为单位飞逸转速。原型泵不同扬程点的实际飞逸转速可由下式确定：

。（6）

式中：——原型泵的实际飞逸转速，r/min；——原型泵叶轮直径，m；——原型泵工作点的扬程，m。

2.3.8水泵装置模型效率计算

水泵装置模型效率为扣除机械损失转矩后的数值，由下式计算：

。（7）

式中：——水泵装置模型效率，%；Q——模型泵装置流量，m3/s；H——模型泵装置扬程，m；——试验实时水体密度，kg/m3；g——当地重力加速度，m/s2。

3 模型试验结果

3.1 能量性能试验

水泵装置模型试验测试了6个叶片安放角度（-8°、-6°、-4、-2、0及+2°）的能量性能。各角度最优工况参数如表1所示。根据试验结果整理得到漳湖泵站水泵装置模型综合特性曲线如图4所示（转速为1375r/min，叶轮直径为320mm）。按特征参数换算公式换算，漳湖泵站原型泵装置综合特性曲线如图5所示（转速为200r/min，叶轮直径为2200mm）。

表1  模型水泵装置性能试验最优效率数据表

Table 1 Data sheet for optimal efficiency of model pump unit performance test

图3  漳湖泵站模型水泵装置综合特性曲线

Fig.3 Comprehensive characteristic curve of model pump unit of Zhanghu pump station

图4  漳湖泵站原型水泵装置综合特性曲线

Fig.4 Comprehensive characteristic curve of prototype pump unit of Zhanghu pump station

能量试验结果表明，叶片角度在-2.6°，泵装置在设计总扬程8.84m，抽水流量为设计流量0.339m3/s时，水泵模型装置效率为85.3%，满足技术要求72%。

3.2 气蚀性能试验

水泵装置模型的空化试验采用定流量的能量法，取水泵装置模型效率较其性能点低1%的有效空化余量作为临界空化余量（以叶轮中心为基准）。图6为叶片角度-4度，五个流量工况点下空化图，其中黄色框线内为汽蚀发生时气泡发生情况。

（a）Q=424 L/s工况（b）Q=401 L/s工况

（c）Q=375 L/s工况（d）Q=327 L/s工况

（e）Q=285 L/s工况

图5  五个流量工况点下空化图(-4度)

Fig.5 Cavitation diagram under five flow operating points (- 4 °)

空化试验结果表明，原型泵装置在叶片安放角-2度时，各扬程工况下临界空化余量均在10.0m以内；其中11.22m扬程时临界空化余量为9.2 m，9.97m扬程时临界空化余量为8.6m，7.87m扬程时临界空化余量为6.7m，5.72m扬程时临界空化余量为7.2m，2.8m扬程时临界空化余量为8.8m。

3.3飞逸特性试验

通过对试验台测试系统的切换，调节辅助泵使水泵运行系统反向运转，扭矩仪不受力，测试不同扬程下模型泵的转速，水泵各叶片安放角下的单位飞逸转速见表2和表3。根据试验结果整理可得泵站原型泵飞逸特性曲线，如图7所示。

表2各叶片安放角下的单位飞逸转速数据表

Table2 Data sheet of unit runaway speed at each blade setting angle

表3各叶片安放角下原型泵飞逸转速数据表（最大扬程11.22m时）

Table3 Runaway speed data table of prototype pump at each blade setting angle (when the maximum head is 11.22 m)

图6  漳湖泵站原型泵装置飞逸特性曲线

Fig.6 Runaway characteristic curve of prototype pump unit of Zhanghu pump station

叶片安放角越小，单位飞逸转速越高；叶片角度在-2°时，原型泵在最高净扬程11.22m下的最大飞逸转速为电机额定转速的1.79倍[10]。

4 结论与建议

通过模型装置试验，获得了漳湖站选用的水泵装置的能量、空化和飞逸特性。

（1）能量试验结果表明，叶片角度在-2.6°，泵装置在设计总扬程6.94m，抽水流量为设计流量389L/s时，水泵模型装置效率为81%，满足技术要求72%；泵装置在设计总扬程8.84m，抽水流量为设计流量339L/s时，水泵模型装置效率为85.3%，满足技术要求72%。

（2）空化试验结果表明，原型泵装置在叶片安放角-2°时，各扬程工况下临界空化余量均在10.0m以内；其中11.22m扬程时临界空化余量为9.2 m，9.97m扬程时临界空化余量为8.6m，7.87m扬程时临界空化余量为6.7m，5.72m扬程时临界空化余量为7.2m，2.8m扬程时临界空化余量为8.8m。

（3）叶片安放角越小，单位飞逸转速越高；叶片角度在-2°时，原型泵在最高净扬程11.22m下的最大飞逸转速为电机额定转速的1.79倍。

（4）在所有叶片角度和流量下，进水流道内流态稳定，无明显漩涡产生，水泵运行平稳。

将叶片安放角调节至-2.6°，可满足漳湖泵站现场工况需求，并获得良好的运行特性。

参考文献

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[5] 孙丹丹，陈世杰，王斌，等.江苏古邳泵站混流泵装置模型试验[J]. 江苏水利，2017， (6):32-36.

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[7] 谢传流，汤方平，刘超，等. 大型立式轴流泵装置叶轮选型模型试验分析[J]. 农业机械学报，2017，48（6）：94-99，131.

[8] 孙丹丹，陈世杰，王斌，等. 睢宁县凌城泵站轴流泵装置模型试验[J]. 中国农村水利水电，2018（2）：126-130.[9] 中华人民共和国水利部.水泵模型及装置试验验收试验规程SL140-2006[S]. 北京：中国水利水电出版社.

[10] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.旋转电机定额和性能：GB755-2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[作者简介]

周侃（1989.10）男，一级建造师，主要从事水利工程施工、水利工程造价工作

联系地址：合肥经济技术开发区紫云路1288号，邮政编码：230601

电话：13955641696，电子信箱：2837282817@qq.com

徐卫星（1965.3）男，高级工程师，主要从事水利工程建设管理工作

联系地址：安徽省安庆市望江县华阳镇新桥西村43号，邮政编码：246240

电话：18009667901，电子信箱：xu906818578@126.com