軸流泵變角與變速的試驗分析

張文鵬，湯方平，謝榮盛，石麗建，謝傳流(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009)

由于我國處于亞歐大陸東南和太平洋西岸特殊的地理位置, 大部分地區(qū)位于季風(fēng)氣候區(qū)，致使我國的洪澇災(zāi)害具有發(fā)生頻率高、受災(zāi)范圍廣和一旦受災(zāi)就損失嚴(yán)重等特點。尤其是近幾年來，城市洪澇災(zāi)害屢見報端，給人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成了重大威脅。要解決洪澇災(zāi)害問題，建設(shè)排澇泵站無疑是最有效的方法之一。某泵站規(guī)劃為城市排澇泵站，兼顧抽排和自排功能，采用立式軸流泵裝置。工程上大都是采用nD值相等轉(zhuǎn)化原理，用模型實驗預(yù)測原型泵裝置性能。儲訓(xùn)等[1]研究了軸流泵變速運(yùn)行的優(yōu)點；袁堯等[2]研究了變角性能的相似關(guān)系；馮曉莉等[3]研究了在變角情況下優(yōu)化泵站運(yùn)行方案的經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)中小型泵站多采用半調(diào)節(jié)式的葉片調(diào)節(jié)方式，大型泵站多采用全調(diào)節(jié)式的葉片調(diào)節(jié)方式，泵站可供選擇的調(diào)節(jié)方案比較單一，特別是水位變化較大時，泵站的高效安全運(yùn)行得不到保證。本文基于模型泵裝置能量試驗，分析了軸流泵變角和變速各自的運(yùn)行特點，對在變速實驗中得到的高效點的流量與轉(zhuǎn)速值進(jìn)行擬合，驗證了水泵的比例律關(guān)系，為泵站調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供依據(jù)。

1 模型試驗概述

1.1 泵裝置簡介

泵裝置模型試驗采用鐘形進(jìn)水流道。水泵裝置模型比尺為1∶5.733，模型泵名義葉輪直徑D為300 mm，葉片間隙0.2 mm左右，輪轂比為0.4，葉片數(shù)為4，采用 黃銅經(jīng)數(shù)控加工成型。

1.2 試驗臺簡介

試驗在揚(yáng)州大學(xué)高精度水力機(jī)械試驗臺上進(jìn)行。試驗臺鑒定，效率測試系統(tǒng)綜合誤差為±0.39%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18149-2000和中華人民共和國水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL140-2006 精度要求，通過國家計量認(rèn)證。試驗臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，總長度60.0 m，管道直徑為0.5 m(僅在安裝電磁流量計的前后10倍直管段為直徑0.4 m的管道)，整個系統(tǒng)內(nèi)水體積為50 m3。試驗臺可進(jìn)行泵裝置模型的能量試驗、汽蝕試驗、飛逸特性試驗、水輪機(jī)工況試驗、模型泵裝置過渡特性、內(nèi)特性試驗等。本文在該試驗臺進(jìn)行了泵裝置能量試驗研究。試驗臺如圖1所示。

圖1 試驗臺簡圖Fig.1 simple figure of the test bench 注：1-進(jìn)水箱；2-受試泵裝置及驅(qū)動電機(jī)；3-壓力出水箱；4-分叉水箱；5-流量原位標(biāo)定裝置；6-工況調(diào)節(jié)閘閥；7-穩(wěn)壓整流筒；8-電磁流量計；9-系統(tǒng)正反向運(yùn)行控制閘閥；10-輔助泵機(jī)組。

2 變角調(diào)節(jié)

2.1 變角調(diào)節(jié)方式

大型泵站工程根據(jù)實際運(yùn)行水位普遍采用變角調(diào)節(jié)的方法來改變水泵運(yùn)行工況。變角調(diào)節(jié)就是通過改變軸流泵葉片的安放角，使水泵性能發(fā)生變化，以達(dá)到調(diào)節(jié)目的。葉片角度調(diào)節(jié)有半調(diào)節(jié)和全調(diào)節(jié)2種方式[4]。半調(diào)節(jié)方式中，水泵葉輪的葉片通常用緊固螺栓固定在輪轂上，葉片和輪轂上刻有指示線和角度線，在調(diào)節(jié)時松開螺母，即可轉(zhuǎn)動葉片，一般在檢修時進(jìn)行,故不能實時調(diào)節(jié)。采用全調(diào)節(jié)方式時，可以通過液壓系統(tǒng)或機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)葉片角度，可進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，便于自動化控制，但成本較大，泵裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且存在一定的不確定性[5]。

2.2 試驗方法

本次模型泵試驗由于實驗條件限制采用半調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)方式。分別測試了5個不同葉片安放角度(-2 、0 、+2 、+4 、+6°)在轉(zhuǎn)速為1 433 r/min下的泵裝置能量特性。每次試驗除調(diào)節(jié)角度不同外，保持其他參量不變。以0°葉片安放角為例，介紹試驗注意事項如下：試驗開始前，先測出空載扭矩，用來校正數(shù)據(jù)；通過揚(yáng)程表對補(bǔ)水后的系統(tǒng)排氣，以減小試驗誤差；由于水溫變化會對扭矩零點產(chǎn)生影響，試驗前要根據(jù)水溫變化設(shè)置扭矩儀系數(shù)，降低水溫變化對試驗精度的影響(在同一次試驗中，由于試驗時間較短，短時間內(nèi)水溫變化不大，忽略試驗中的水溫變化影響)；試驗中，通過自動調(diào)節(jié)旋鈕控制蝶閥開度來調(diào)節(jié)工況，得出該角度下的工況性能曲線。各角度性能曲線如圖2所示(從左至右依次為-2°、0°、+2°、+4°、+6°)。

圖2 變角性能曲線Fig.2 Performance curve of the variable angle

2.3 變角性能曲線的分析

試驗結(jié)果表明：在各自安放角下，高效區(qū)范圍均較寬，在高效區(qū)內(nèi)調(diào)節(jié)揚(yáng)程范圍也較大；當(dāng)改變?nèi)~片安放角時，各角度下的性能曲線近似平移變化，最高效率點變化不大，在最高效率點工況時對應(yīng)的揚(yáng)程改變也很小。總的來說，葉片角度調(diào)節(jié)能在較大的流量范圍內(nèi)保持水泵運(yùn)行效率基本不變，調(diào)節(jié)流量效果明顯，是比較經(jīng)濟(jì)的工況調(diào)節(jié)方法，但是在洪水突然來臨且水位變化較大時，在短時間內(nèi)通過改變角度來調(diào)節(jié)揚(yáng)程是較難實現(xiàn)的。

3 變速調(diào)節(jié)

3.1 變速調(diào)節(jié)概述

隨著國外大型變頻器的引進(jìn)，變速調(diào)節(jié)的方式在泵站中也逐漸得以使用。變速調(diào)節(jié)就是用改變水泵轉(zhuǎn)速的方法來改變水泵運(yùn)行工況,具有調(diào)節(jié)快速方便、調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點。水泵轉(zhuǎn)速的改變，可以通過改變動力機(jī)轉(zhuǎn)速或改變傳動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速比等方法實現(xiàn)。本次試驗采用改變動力機(jī)轉(zhuǎn)速的方法。由于超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)會對電機(jī)造成損害，所以只選擇采用降速運(yùn)行。本次試驗在+4°安放角下分別做出轉(zhuǎn)速為1 433(額定轉(zhuǎn)速)、1 300、1 200、1 100、1 000、900、800 r/min下的能量性能曲線，曲線均在馬鞍區(qū)前結(jié)束。試驗步驟同變角調(diào)節(jié)方式相似，不再贅述。變速性能曲線見圖3(從左至右依次為800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 433 r/min)。

圖3 變速性能曲線Fig.3 Performance curve of the variable speed

3.2 試驗結(jié)果分析

從變速的“流量～揚(yáng)程曲線”和“流量～效率曲線”可以看到：各個轉(zhuǎn)速下，最高效率變化不大，高效區(qū)的范圍從高轉(zhuǎn)速到低轉(zhuǎn)速呈遞減趨勢，即高轉(zhuǎn)速下高效區(qū)范圍較寬；在揚(yáng)程方面，高轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)揚(yáng)程范圍更寬。總體來看，變速調(diào)節(jié)時，在最高效率點的流量調(diào)節(jié)范圍較大，揚(yáng)程改變也較大。以效率超過70%來看，各轉(zhuǎn)速下流量和揚(yáng)程的范圍如表1所示。

由此擬合了在最高效率點時，流量和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖4所示，即：

n=3.677 6 Q +1.524 8

圖4 最高效率點流量和轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.4 Relationship between flow rate and speed in the highest efficiency

式中：n、Q分別為轉(zhuǎn)速和單位流量。

對于同一臺泵，因為DP/DM=1,有水泵的比例律公式：

Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=(n1/n2)2

N1/N2=(n1/n2)3

式中：DP、DM分別表示原型泵和模型泵的葉輪直徑；Q、H、N分別表示流量、揚(yáng)程和軸功率；角標(biāo)“1”、“2”分別表示水泵的不同轉(zhuǎn)速下的工況。

通過對最高效率點流量和轉(zhuǎn)速的擬合，驗證了變速條件下流量和轉(zhuǎn)速的關(guān)系符合變速相似原理。

根據(jù)比例律公式，用1 433 r/min 下的性能曲線驗證其他轉(zhuǎn)速下的性能曲線結(jié)果如圖5所示。

圖5 額定轉(zhuǎn)速驗證其他轉(zhuǎn)速Fig.5 Rated speed validate others

3.3 注意事項

需要指出的是，在降速運(yùn)行時，揚(yáng)程曲線基本重合，但效率曲線隨降速增加偏差變大。分析原因可能為：由于機(jī)械損失在不同轉(zhuǎn)速下不符合變速相似關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速減小過大時，導(dǎo)致效率變化較大。因此，降速運(yùn)行要在一定范圍內(nèi)進(jìn)行。另外，考慮在超額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)對電機(jī)損害很大，泵站在運(yùn)行時也應(yīng)該避免采用超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。綜合考慮，建議降速范圍在額定轉(zhuǎn)速的1/3以內(nèi)。

4 結(jié) 語

通過模型泵裝置試驗，得出以下結(jié)論：當(dāng)采用變角調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)葉片角度時，各角度下的性能曲線高效區(qū)范圍都很寬，調(diào)節(jié)流量效果明顯，不同角度下最高效率點對應(yīng)的揚(yáng)程變化不大；當(dāng)采用變速調(diào)節(jié)時，在一定范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速的降低，高效區(qū)范圍逐漸變窄，轉(zhuǎn)速改變在最高效率點上調(diào)節(jié)揚(yáng)程效果明顯，并且驗證了變速相似原理。將變角調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)兩種方式合理結(jié)合，可以最大可能的滿足泵站在高效區(qū)運(yùn)行的要求，并且起到及時調(diào)節(jié)揚(yáng)程的目的，既經(jīng)濟(jì)安全，又穩(wěn)定高效。

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[1] 儲 訓(xùn). 大型水泵變速調(diào)節(jié)運(yùn)行方案[J]. 水泵技術(shù)，2001,(1):29-32.

[2] 袁 堯，劉 超. 水泵變角性能的相似關(guān)系研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報，2013,32(2):276-281.

[3] 馮曉莉，仇寶云. 大型泵站系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型與節(jié)能效果比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012,28(12):46-51.

[4] 劉 超. 水泵及水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2009:60-66.

[5] 袁 堯. 基于蟻群算法和變角相似關(guān)系的泵站優(yōu)化運(yùn)行研究[D]. 江蘇揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2013.