滁河四級站混流泵裝置模型飛逸特性試驗研究

方進+徐景東

摘 要：滁河四級站是駟馬山灌區的最后一級提水泵站，為研究滁河四級站混流泵裝置模型的飛逸特性，在江蘇大學多功能水泵裝置模型試驗臺上進行了泵裝置模型的飛逸特性試驗。針對該泵站出水管道較長、坡度較大的特點，設計了一種試驗方案，既保證了模型流道與原型流道的水力損失相似，又使模型泵裝置在試驗臺能夠完整布置。結果表明，對同一泵裝置，不同葉片安放角時，單位飛逸轉速均不同；相同葉片安放角時，單位飛逸轉速隨水頭增大呈下降趨勢。該泵站模型泵裝置的試驗方法和試驗結果可為類似的大型立式泵站模型試驗研究提供重要的參考價值。

關鍵詞：泵站；混流泵裝置；模型試驗；飛逸特性

中圖分類號：TV22 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0099-02

1 概述

滁河四級站是駟馬山灌渠的最后一級提水泵站，規劃向安徽省定遠縣江巷水庫輸水，設計凈揚程16.4m，最低凈揚程14.9m，最高凈揚程17.9m。設計灌溉面積134.7萬畝，其中江淮分水嶺以北池河流域灌溉面積為121萬畝，四級站設計裝機8臺套（7用1備），設計抽水流量71.4m3/s，其中水泵為立式半調節混流泵，葉輪直徑為1.856m，配套電動機為立式同步電機，單機功率2800kW，額定轉速250r/min。

滁河四級站的進水流道采用設計方法較成熟的肘形進水流道，而出水流道為彎直管式出水方案，鋼制管道，管道爬坡一直延伸至出水池，出水流道長約40m。經過優化比選，最終泵站采用混流泵模型TJ11-HL-08，為南水北調工程天津同臺試驗比選中的優秀水泵模型。泵站系統縱剖面結構布置圖如圖1所示。

為便于了解滁河四級站混流泵裝置的飛逸特性，本文針對其泵裝置模型開展飛逸特性研究。

2 試驗裝置和試驗方法

在保證泵站控制性結構尺寸不變的基礎上，對進出水流道進行CFD優化計算，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，開展泵裝置模型的能量特性、空化特性、飛逸特性和壓力脈動特性等試驗，驗證泵裝置的整體性能是否滿足設計要求。

2.1 試驗臺

在江蘇大學國家水泵工程中心高精度多功能水泵閉式試驗臺上進行了模型泵裝置試驗研究。試驗臺各量測儀器設備均通過省級計量檢定，其隨機不確定度控制在±0.1%以內，效率綜合不確定度優于0.32%，經江蘇省科技廳鑒定，綜合技術指標居國內領先水平。機械工業排灌產品質量監督檢測中心（鎮江）、江蘇省質量技術監督泵類產品檢測站等檢測機構設在本單位，具有公正向社會提供泵類產品檢測數據的能力和資質。本試驗臺采用立式結構，作用是試驗泵在做空化時而循環泵不至于發生空化現象。試驗臺水循環系統結構布置如圖2所示。試驗臺能夠進行各類大中型泵站裝置模型試驗，可安裝立軸、橫軸、斜軸及貫流等各型水泵模型裝置。

2.2 試驗方案

根據《水泵模型驗收試驗規程》SL140-2006，泵裝置模型試驗轉速按照原型與模型的nD值相等的條件確定。由原型泵葉輪直徑Dp=1.856m，額定轉速為np=250r/min，模型泵葉輪直徑Dm=0.32m，則可計算得出模型泵裝置試驗轉速nm=1450r/min。

按相似原理全模擬水泵葉輪、導葉、以及進、出水流道，全部過流部件幾何相似，尺寸按同一模型比計算確定。模型泵葉輪導葉采用數控加工，模型流道采用電腦放樣鋼板焊接，流道內部表面加涂層，不僅滿足幾何相似還同時滿足糙率相似要求。換算后的模型泵裝置原方案如圖3所示。

由圖3可知，按原型結構尺寸換算后的模型泵裝置出水管道較長，且向上坡度較大，導致無法直接接入出水罐。若附加接管及彎頭，則導致模型泵裝置的出水流道與原型不完全相似，對試驗結果會產生較大的誤差。

由于模型試驗系統為閉式系統，重力的作用可忽略不計。因此，采用試驗方案如下：將坡度向上的出水管道部分繞流道的對稱軸O-O旋轉180°，使流道坡度向下。但這樣又會使流道的出口過低，仍然無法接入出水罐中。于是，再把流道出口的彎頭前移，把傾斜直管段的一部分移至彎頭后面，變成水平直管段，并保持流道的總長度不變，如圖4所示。因為出水流道為等徑管，能保持流速不變，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，這樣可使出水流道的模型與原型保持水力損失相似。模型泵裝置系統試驗現場照片見圖5。

3 試驗結果與分析

飛逸試驗時采用循環輔助泵反向供水，使水泵在水輪機工況下反轉，測量在不同水頭下軸扭矩為0時飛逸轉速值，并計算出平均單位飛逸轉速。

單位飛逸轉速可由葉輪直徑、試驗水頭和飛逸轉速算出，其計算公式：

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

對0°葉片角進行了飛逸轉速試驗，試驗結果詳見表1。

飛逸轉速與葉片安放角度、水頭有關，根據試驗結果，計算葉片角0°工況下的原型泵飛逸轉速。

原型泵飛逸轉速可按nf=N0/D計算，N0=176.5r/min，則

Hsy=17.9m（最大）時，nf=402.4r/min，為水泵額定轉速的1.6倍。

Hsy=16.4m（設計）時，nf=385.2r/min，為水泵額定轉速的1.5倍。

原型泵裝置葉片角0°情況下隨揚程的飛逸轉速變化曲線如圖6所示。

4 結束語

針對滁河四級站典型泵裝置形式，基于使原、模型出水流道水力損失相似的條件下，創新設計了一種模型泵裝置試驗形式，使出水流道較長、坡度較大的模型泵裝置能夠在試驗臺成功布置，保證了飛逸特性試驗能夠準確順利開展。

由滁河四級站的泵裝置模型試驗結果可知，對同一泵裝置，不同葉片安放角時，單位飛逸轉速均不同；相同葉片安放角時，單位飛逸轉速隨水頭增大呈下降趨勢。該泵站模型泵裝置的試驗方法和試驗結果可為類似的大型立式泵站模型試驗研究提供重要的參考價值。

參考文獻：

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