九圩港泵站泵裝置模型試驗分析

何繼業 陳世杰 許旭東 江季忠

（江蘇省水利工程建設局 南京 210029 揚州大學水利與能源動力工程學院 揚州 225009江蘇省水利科學研究院 揚州 225009 南通市九圩港水利工程管理所 南通 226003）

九圩港泵站泵裝置模型試驗分析

何繼業 陳世杰 許旭東 江季忠

（江蘇省水利工程建設局 南京 210029 揚州大學水利與能源動力工程學院 揚州 225009江蘇省水利科學研究院 揚州 225009 南通市九圩港水利工程管理所 南通 226003）

泵裝置物理模型試驗是檢驗和優化泵裝置水力性能的重要手段。對九圩港泵站的豎井貫流泵裝置整體進行了能量特性、空化特性、飛逸轉速特性等物理模型試驗，以獲取該泵裝置的綜合性能。試驗結果表明該貫流泵裝置有著較高的效率，在較大的運行工況范圍內葉輪空化性能良好，當揚程高于2.1m時要設防飛逸設施。

九圩港泵站 豎井貫流泵 模型試驗 泵裝置

1 工程概況

九圩港提水泵站位于長江澄通河段北岸、九圩港閘附近屬于長江流域。工程的主要任務是在自流引江不能滿足區域用水需要時，利用九圩港泵站抽水，以滿足南通市通南地區、沿海灘涂開發區的用水需要，并相機向東臺提水灌區供水。物理模型試驗方法被廣泛應用于大中型水泵水力性能的獲取，本文對九圩港泵站的水泵也采用該方法進行研究。

九圩港泵站設計凈揚程為1.71m，最低凈揚程為0m，最高凈揚程為3.43m。根據工程布置與設計，泵站采用豎井雙側進水，平直管出水流道，選用5臺葉輪直徑為3.25m豎井貫流泵，單機流量，配套電機功率1250kW，電機額定轉速為750r/min，齒輪箱傳送比1∶7.14。

2 泵裝置模型試驗

2.1 模型設計

九圩港水泵葉輪直徑Dp=3.25m，模型水泵葉輪直徑Dm=300mm，則幾何比尺λD=DpDm=10.83。按照等揚程準則λNd=1和原模型轉速np=105r/min計算，模型轉速nm=1137.5r/min。對應原型設計工況流量30m3的模型流量為255.62L/s，設計揚程為1.96m。

2.2 模型試驗系統

九圩港模型試驗是在河海大學水力機械多功能試驗臺進行的，該試驗臺是“211工程”重點建設項目之一。試驗臺按照《水泵模型及裝置模型驗收試驗規程》（SL140-2006）進行設計與建造，試驗綜合不確定度≤0.4%。試驗臺為立式封閉循環系統，總容量為50m3，主要設備由尾水箱、壓力水箱、電磁流量計、供水泵（或輔助泵）、電動閘閥、手動蝶閥、Φ500管道等組成。試驗臺不僅可以做立式、臥式水泵、水輪機模型裝置特性試驗，而且可以做可逆式水泵、水輪機模型裝置特性試驗、正反向水泵工況和正反向水輪機工況等多功能的試驗研究。試驗臺主要參數：揚程H=-5～20m；流量 Q=0～1m3/s；扭矩 M=0～200N·m；轉速 n=0～2000r/min。

2.3 試驗方法

2.3.1 能量試驗

流量從大到小依次測試14～24點。采用等揚程法進行模型試驗研究，即保持原模型nD值相等。

模型泵裝置效率：

式中：Q—模型泵流量，m3/s；

H—模型泵裝置揚程，m；

n—模型泵轉速，r/min；

N—模型泵輸入軸功率，W；

N0—空載功率，W。

2.3.2 汽蝕試驗

汽蝕試驗采用能量法，通過系統回路內抽真空，逐步減少有效汽蝕余量，根據效率下降1%確定臨界汽蝕余量。

有效汽蝕余量由下式計算：

式中：Pa/ρg—大氣壓強，m；

Pv/ρg—試驗水溫下水的飽和蒸汽壓強，m；

hv—真空表測點的真空度，m；

h—泵葉輪中心直真空表進水口高差，m。

2.3.3 水泵工況飛逸特性試驗

當水泵突然斷電時，水泵出口水流倒灌進入水輪機工況，水流能量除了消耗于機械損失外，使機組加速達到最大轉速稱飛逸轉速。試驗應穩定在某一揚程時測出葉片不同轉角下的飛逸轉速nfM，并計算單位飛逸轉速其他各種揚程的飛逸轉速可由下式進行換算：

3 模型試驗結果與分析

3.1 能量特性試驗

測試九圩港模型泵裝置5個不同葉片安放角（±4°、±2°、0°）下的能量特性，各個葉片角下的測量工況點為23個。整理試驗結果得模型泵裝置綜合特性曲線如圖1所示，原型泵裝置綜合特性曲線如圖2所示。

由模型試驗結果可看出，模型最高裝置效率76.85%，對應的葉片安放角為-2°，對應的揚程為2.1m，模型流量為0.225m3/s，對應原型泵流量為26.35m3/s。葉片安放角在-4°、-2°、0°和+2°時，即使水泵在最高揚程下運行時，配套電動機功率也完全滿足要求。水泵模型裝置在-4°、-2°、0°、+2°和+4°五個安放角下，在設計揚程工況時，效率均不低于74%，在最大、最小揚程工況下能安全、穩定運行。

3.2 汽蝕特性試驗

按照空化相似準則確定空化試驗轉速為1137.5r/min，即空化余量原型與模型相等。試驗測試了5個不同葉片安放角（+4°、+2°、0°、-2°、-4°）的模型泵裝置空化特性。根據《規程》（SL140-2006）要求，取泵裝置效率下降1%作為臨界空化余量，空化試驗結果如表1所示。

由表1可以看出，水泵轉輪模型裝置引水工況最大汽蝕余量發生在葉片安放角為+4°時，臨界汽蝕余量為8.24m，對應揚程為3.68m。在設計工況點揚程1.96m處，臨界汽蝕余量最大為7.0m。

3.3 飛逸特性試驗

當水泵電機突然斷電時，水倒流經過泵，泵的輸出功率為零，葉輪反轉進入水輪機工況，這時產生的最大反轉轉速為飛逸轉速。飛逸特性試驗時，采用調節輔助泵電機轉速使試驗泵出口和進口側形成不同的水位差。

根據相似理論，原、模型泵其單位飛逸轉速相等，由此可計算出原型機組在不同揚程下各葉片安放角的飛逸轉速。不同水頭下的原型水泵飛逸轉速計算結果見表2。

從表2可知，葉片安放角為0°時，在揚程為0.9m時，飛逸轉速將接近額定轉速，在揚程為2.1m時，飛逸轉速將接近1.5倍的額定轉速。葉片安放角為-4°時，最大揚程3.68m時最大飛逸轉速為額定轉速的2.07倍。

4 試驗誤差分析

4.1 系統誤差（Es）

系統誤差時服從某一確定規律而不具有抵償性的誤差，它主要取決于測量儀表誤差。模型試驗中效率的系統誤差可用下式計算：

式中：Eη，s—模型試驗中效率的系統誤差，%；

EQ，s—流量測量的系統誤差，%；

圖1 模型泵裝置綜合特性曲線圖

圖2 原型泵裝置綜合特性曲線圖

表1 模型泵裝置主要性能參數表

表2 不同水頭下原型水泵飛逸轉速表（r/min）（原型水泵轉速n=105r/min，轉輪直徑D=3250mm）

表3 9次重復試驗數據表

EH，s—揚程測量的系統誤差，%；

En，s—轉速測量的系統誤差，%；

EM，s—扭矩測量的系統誤差，%。

根據試驗設備可知，試驗臺的系統誤差如下：流量測量的系統誤差EQ，s=±0.2%；揚程測量的系統誤差EH，s=±0.1%；扭矩和轉速測量的系統誤差EM，s=±0.2%；則由計算式可求出模型試驗中效率測量得系統誤差Eη，s=0.30%。

4.2 隨機誤差（ER）

隨機誤差是服從統計規律并且具有抵償性的誤差，常用概率統計法處理，誤差呈t分布，其標準偏差由下式計算：

式中：Sx—標準偏差；

xi—各次測量值；

x—測量值的算術平均值；

n—測量次數，取9。

在最優效率點附近連續讀取9次重復實驗數據，見表3。隨機誤差采用相對誤差（ER）表示，其值用下式計算：

式中：ER—相對誤差，%；

tn-1—置信系數，一般采用95%的置信概率，可查表求出。

則效率的隨機誤差為：

式中：Eη，R—模型試驗中效率的隨機誤差，%；

EQ，R—流量測量的隨機誤差，%；

EH，R—揚程測量的隨機誤差，%；

En，R—轉速測量的隨機誤差，%；

EM，R—扭矩測量的隨機誤差，%。

標準偏差和隨機誤差的計算結果見表3。

4.3 效率總誤差（Eη）

試驗的效率總誤差為：

式中：Eη—模型試驗中效率的總誤差，%。

由上式求出試驗的效率總誤差，滿足試驗規程要求。

5 結論

對九圩港豎井貫流泵裝置的模型泵裝置實驗結果分析，可以得出以下幾點結論：

（1）在葉片安放角0°，設計揚程1.96m時，模型流量為0.256m3/s，對應原型流量為30m3/s，模型裝置效率為75.80%，滿足工程設計要求；最大揚程3.68m時，模型流量為0.136m3/s，對應原型流量為15.9m3/s，模型裝置效率為51.32%，能穩定運行。

（2）模型裝置最高效率為76.85%，對應的葉片安放角為-2°，對應的揚程為2.10m，模型流量為0.225m3/s，對應原型流量為26.35m3/s。

（3）葉片安放角在-4°、-2°、0°和+2°時，即使水泵在最高揚程下運行，配套電動機功率也滿足要求。

（4）水泵轉輪模型裝置引水工況最大汽蝕余量發生在葉片安放角+4°時，最大揚程3.68m，臨界汽蝕余量為8.24m；設計揚程1.96m，臨界汽蝕余量為7.0m。

（5）葉片安放角-4°，在揚程為2.1m時，飛逸轉速將接近1.5倍的額定轉速，當揚程高于2.1m時要設防飛逸設施，最大揚程3.68m時最大飛逸轉速為額定轉速的2.07倍。

（6）試驗的效率總誤差Eη=±0.351%，滿足試驗規程要求■