黃家壩30°斜式軸流泵裝置模型試驗研究

劉潤根，馬曉忠，詹 磊

(1.江西省水利規劃設計院，南昌 330029 ；2. 江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤 223100；3. 南昌市昌南城市防洪管理處，南昌 330039)

1 概 述

黃家壩泵站位于江西省吉安市泰和縣，是贛江石虎塘航電樞紐工程防護區的骨干排澇泵站。泵站設計凈揚程2.18 m，最低凈揚程0 m，最高凈揚程3.01 m，設計流量38.4 m3/s。泵站裝設3臺1800ZXB12.8-3型30°斜式軸流泵機組，配TXZ560-24/1730 560 kW同步電機，水泵葉輪直徑為1.68 m，水泵轉速250 r/min。泵站采用一列式布置，肘形進水流道，直管式出水流道。其中肘形進水流道入口寬度4.4 m，高度3.1 m，流道出口為DN1 800 mm的圓截面。出水管則是采用DN1 800 mm等直徑圓管，后漸變為3 000 mm×3 000 mm涵洞穿過大堤，涵洞出口設置拍門斷流。泵站縱剖面如圖1所示。

圖1 泵站縱剖面

2 模型泵裝置試驗

2.1 模型設計

黃家壩水泵葉輪直徑Dp=1.68 m，模型水泵葉輪直徑Dm=300 mm，則幾何比尺λD=Dp/Dm=5.6。按照幾何相似和阻力相似，用鋼板焊接制作模型進水流道和出水流道，并在模型進水流道側壁開設流態觀測窗，模型泵裝置見圖2。水泵模型選用的是ZM3.0-Y991。模型試驗準則為歐拉相似準則(Eu=idem)，即要求原型與模型nD相等，據此可得模型試驗轉速nm=(npDp)/Dm=1 400 r/min，其中原型泵轉速np=250 r/min。

圖2 模型泵裝置

2.2 模型試驗系統

黃家壩模型試驗是在江蘇省水利動力工程重點實驗室進行，模型試驗系統如圖3所示。重點實驗室的水力機械泵站試驗臺采用封閉立式循環系統，試驗臺由水力循環系統、量測系統、監控系統、數據采集與處理系統、動力及輔助系統組成。試驗臺封閉循環系統總長60.0 m，管道直徑為0.5 m和0.4 m，系統水體容積為50 m3，蓄水池容積120 m3，回水池容積80 m3。試驗臺主要工作參數：揚程-6～21 m，流量0.1～0.5 m3/s，轉矩0～500 N·m，轉速：0～2 000 r/min。試驗臺可開展水泵及水泵裝置能量特性、空化性能、飛逸特性試驗，水力機械水流脈動；水輪機工況試驗；水泵或水泵裝置過渡特性、內特性試驗。

1-動力機；2-真空箱；3-壓力箱；4-分叉水箱；5-稱重傳感器；6-原位標定裝置；7-調節閥；8-穩壓整流筒；9-電磁流量計；10-控制閘閥；11-輔助泵機組；12-扭矩儀；13-試驗水泵段；14-進水流道；15-出水流道圖3 模型泵裝置試驗系統

泵或泵裝置綜合系統誤差小于±0.39%，高于國際標準(ISO/DIS5198)、GB3216-2005國家標準A級精度和SL140-2006水利部行業標準A級精度，符合招標技術文件要求。

2.3 測試方法

(1)流量Q。采用開封儀表廠制造的MF型(DN400)電磁流量計測量(檢定精度±0.17%)。測試中，按照國家標準GB/T 3216-2005和水利部行業規程SL 140-2006規定，從大流量到小流量依次測試15個以上的不同流量點。

(2)泵裝置揚程Hsy。裝置揚程的進口測壓斷面設置在真空箱，出口測壓斷面設在壓力水箱，裝置揚程Hsy等于進口測壓斷面和出口測壓斷面的總能頭差(即相應于原型泵站的上下游水位差)，由EJA110A差壓變送器測得。

(3)軸功率P、轉速n。采用ZJ-200測功扭矩儀，檢定精度0.2級，出廠檢定線性度及重復性均不大于±0.1%。采用變頻器調節模型水泵試驗電機轉速，根據等揚程相似律(即nD=idem)，模型水泵試驗轉速確定為1 400 r/min。精度0.05%。

(4)模型泵裝置效率ηm。模型泵裝置機械損失轉矩主要由軸承與軸封摩擦損失等造成，在機組無水運轉時測出。每次調整葉片安放角度后先測試空載轉矩，再充水進行性能試驗。本文所指的模型泵裝置效率為扣除機械損失后的數值，由下式計算：

(1)

式中：Qm為模型流量，m3/s；Hsym為模型泵裝置揚程，m；Pm為模型泵輸入軸功率，W；P0為空載功率，W。

(5)空化余量測量NPSH。空化試驗保持流量不變，由真空泵抽真空，減低封閉循環系統壓力，使泵內發生空化。不同系統壓力下的空化余量值由下式計算：

(2)

式中：NPSHav為空化余量，m；pav為裝置進口測壓點的絕對壓強，由絕對壓力變送器測得，Pa；pv為試驗水溫下水的飽和蒸汽壓強，Pa；h為絕對壓力變送器高于泵葉片旋轉中心線與葉輪外殼交點的高度值，m。

(6)飛逸轉速測量。飛逸試驗水頭由輔助泵提供，脫開扭矩儀與電機之間的聯軸器，調整輔助泵的轉速，測得不同水頭下模型泵裝置反轉且輸出力矩為零時的轉速和流量。飛逸特性可用單位飛逸轉速和單位飛逸流量表示，按下式計算：

(4)

式中：n′1為單位飛逸轉速，r/min；Q′1為單位飛逸流量，m3/s；D為葉輪直徑，m；H為上下游總水頭差，m。

3 模型試驗結果與分析

3.1 動力特性試驗

測試黃家壩模型泵裝置5個不同葉片角度(±4°，±2°，0°)下的動力特性，各個葉片角下的測量工況點為22個。數據采集系統對各工況點采樣10次并作幾何平均，以便消除水流脈動的影響。整理試驗結果得到的模型泵裝置綜合特性曲線見圖4，按國家標準GB/T 3216-2005進行換算得到的原型泵裝置動力特性曲線見圖5。

圖4 模型泵裝置能量特性曲線圖

圖5 原型泵裝置能量特性曲線

由模型試驗結果可看出，5種葉片角度下的流量-揚程、流量-功率曲線符合軸流泵裝置特性規律，即同一角度下揚程、軸功率隨流量減少而增大，泵裝置最高效率隨葉片角度減小而增大。泵裝置高效區范圍較寬，效率較高；5種葉片角度+4°、+2°、0°、-2°和-4°的泵裝置最高效率分別達到77.91%、79.82%、80.84%、82.19%、83.0%。在葉片0°時，對應設計揚程2.18 m的流量為12.01 m3/s、效率69.78%，但最大揚程3.02 m的流量為11.21 m3/s、效率78.17%。

3.2 空化性能試驗

按照空化相似準則確定空化試驗轉速為1 400 r/min，即空化余量原型與模型相等。試驗測試了3個不同葉片角度(±2°，0°)的模型泵裝置空化特性。根據SL140-2006規范要求，取泵裝置效率下降1%作為臨界空化余量[NPSH]c，空化試驗結果如表1所示。

表7 原型泵裝置空化特性

試驗結果表明，對泵站運行工況的較大范圍內， 3個葉片角度下的空化余量均小于10 m，只是在葉片+2°大流量時的空化性能較差。

3.3 飛逸特性試驗

模型泵裝置飛逸特性試驗是在脫開動力機，由試驗系統中的輔助水泵給模型泵機組提供反轉作用水頭，測試在不同反轉飛逸工況下的反作用水頭H、倒流流量Q以及轉速n，由式(3)和式(4)計算單位轉速n′1和單位流量Q′1，并按照各工況點的單位轉速n′1和單位流量Q′1的平均值換算。試驗測試黃家壩泵站葉片-4°下飛逸特性，如圖6和圖7所示，平均后的單位轉速和單位流量分別為n′1=310、Q′1=3.12。研究結果表明，泵站在最大揚程3.02 m時，飛逸轉速n=320.7 r/min為水泵機組額定轉速的1.28倍，小于1.5倍的額定轉速，屬于安全范圍以內。

圖6 模型飛逸特性曲線

圖7 原型飛逸特性曲線

4 結 論

對黃家壩30°斜式軸流泵裝置的模型泵裝置試驗結果分析，可得到以下幾點結論：

(1)5個葉片角度下模型泵裝置最高效率在79%～83%之間，30°斜式軸流泵裝置效率較高，斜式泵裝置較適用于低揚程大型排澇泵站。

(2)由ZM3.0-Y991模型水泵與斜式進水流道、直管式出水流道匹配組成的泵裝置空化余量均小于10 m，斜式泵裝置空化性能優良。

(3)水泵裝置單位飛逸轉速不大，在最大裝置揚程下飛逸轉速滿足工程安全。

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