淮安一站立式軸流泵裝置模型試驗(yàn)研究

仲子夜 王聞通

（江蘇省灌溉總渠管理處 淮安 223200）

1 工程概述

淮安一站始建于1972年12月，原裝有8臺(tái)64ZLB-50型立式半調(diào)節(jié)軸流泵，配套TDL-215/31-24型立式同步電機(jī)，總裝機(jī)容量為6400kW，設(shè)計(jì)流量為60m3/s。2001年5月～2003年3月，淮安一站進(jìn)行了更新改造。改造后，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為4.89m，安裝1750ZLQ-11.2-5.3型立式全調(diào)節(jié)軸流泵8臺(tái)，設(shè)計(jì)總流量為89.6m3/s，配套TL1000-24/2150型立式同步電機(jī)，單機(jī)功率1000kW，總裝機(jī)容量為8000kW。淮安一站采用堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，肘形進(jìn)水流道，平直管出水流道。

因近幾年機(jī)組檢修周期縮短，經(jīng)江蘇省水利廳批復(fù)，對(duì)其中一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行改造，更換轉(zhuǎn)輪體、導(dǎo)葉體、上機(jī)架等部分設(shè)備。

2 模型泵裝置試驗(yàn)

2.1 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)裝置按相似要求設(shè)計(jì)并構(gòu)建。幾何相似的模型泵由相關(guān)水泵廠中標(biāo)提供，葉輪外殼采用中開(kāi)結(jié)構(gòu)，以利拆裝及葉片角度調(diào)節(jié)。按相似原理全模擬進(jìn)出水流道，模型泵裝置見(jiàn)圖1。

圖1 模型泵裝置三維透視圖

2.2 泵裝置模型試驗(yàn)系統(tǒng)

淮安一站泵裝置模型試驗(yàn)在河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院水力機(jī)械多功能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)按照SL140-2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》以及《水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（GBT15613-1995）進(jìn)行設(shè)計(jì)與建造，試驗(yàn)綜合誤差≤4‰，見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)裝置示意圖

試驗(yàn)臺(tái)不僅可以做立式、臥式水泵、水輪機(jī)模型裝置特性試驗(yàn)，而且可以做可逆式水泵、水輪機(jī)模型裝置、正反向水泵工況和正反向水輪機(jī)工況等多功能的特性試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法按照《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（SL140-2006）和《水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（GBT15613-1995）執(zhí)行。

2.3.1 能量試驗(yàn)

流量從大到小依次測(cè)試10個(gè)點(diǎn)。采用等揚(yáng)程（水頭）方法進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，即保持原、模型nD值相等。模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為：

模型泵裝置效率：

式中：Q—模型泵流量，（m3/s）；

H—模型泵裝置揚(yáng)程，（m）；

n—模型泵轉(zhuǎn)速，（r/min）；

N0—空載功率（W）。

2.3.2 汽蝕試驗(yàn)

汽蝕試驗(yàn)采用能量法，通過(guò)系統(tǒng)回路內(nèi)抽真空，逐步減少有效汽蝕余量，根據(jù)效率下降1%確定臨界汽蝕余量。

有效汽蝕余量由下式計(jì)算：

hv—真空表測(cè)點(diǎn)的真空度，（m）；

h—泵葉輪中心至真空表進(jìn)水口高差，（m）。

2.3.3 水泵工況飛逸特性試驗(yàn)

當(dāng)水泵突然斷電時(shí)，水泵出口水流倒灌進(jìn)入水輪機(jī)工況，水流能量除了消耗于機(jī)械損失外，使機(jī)組加速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速稱飛逸轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)應(yīng)穩(wěn)定在某一揚(yáng)程時(shí)測(cè)出葉片不同轉(zhuǎn)角下的飛逸轉(zhuǎn)速nfM，并計(jì)算單位飛逸轉(zhuǎn)速，其他各種揚(yáng)程的飛逸轉(zhuǎn)速可由下式進(jìn)行換算：

2.3.4 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

在葉輪進(jìn)口和出水流道處各布置1個(gè)壓力脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)定-4°、-2°、0°、+2°和+4°五個(gè)葉片安放角下?lián)P程為2.0m、3.5m、4.5m、4.89m、5.5m及6.67m的壓力脈動(dòng)值。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 能量特性試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試淮安一站模型泵裝置6個(gè)不同葉片角度下的泵裝置能量特性，各個(gè)角度下的測(cè)量工況點(diǎn)均大于15個(gè)。整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的泵裝置模型綜合性能曲線見(jiàn)圖3，按GB/T3216-2005國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算得到的原型綜合性能曲線見(jiàn)圖4。

圖3 泵裝置模型綜合性能曲線圖

圖4 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)換算得原型綜合性能曲線圖

3.2 汽蝕特性試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得出水泵模型裝置的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 水泵模型裝置的主要性能參數(shù)表

3.3 飛逸特性試驗(yàn)結(jié)果

不同葉片安放角下單位飛逸轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，不同水頭下的原型水泵飛逸轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，飛逸特性曲線見(jiàn)圖5。

表2 不同葉片安放角下模型單位飛逸轉(zhuǎn)速（r/min）計(jì)算表

表3 不同水頭下原型水泵飛逸轉(zhuǎn)速表（r/min）

3.4 水壓脈動(dòng)試驗(yàn)

該試驗(yàn)結(jié)果按97%置信度混頻給出。

圖5 飛逸特性曲線圖

壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值A(chǔ)定義為壓力脈動(dòng)波形的雙振幅峰峰值與試驗(yàn)水頭的比值：

式中：H為試驗(yàn)揚(yáng)程（m），ΔH為壓力脈動(dòng)雙振幅峰峰值（m）。

試驗(yàn)采集了水泵葉片安裝角為 -4°、-2°、0°、2°、4°時(shí)揚(yáng)程分別為2.0m、3.5m、4.5m、4.89m、5.5m以及6.67m下的葉輪進(jìn)口和出水流道壓力脈動(dòng)信號(hào)。

在設(shè)置的水泵模型裝置下，由轉(zhuǎn)輪進(jìn)口與出水流道各測(cè)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)與揚(yáng)程的關(guān)系圖（略），可知受葉片旋轉(zhuǎn)的影響，葉輪進(jìn)口、出水流道處壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)，葉輪進(jìn)口-4°時(shí)壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值隨揚(yáng)程增加而先增加，然后在5.5m左右開(kāi)始隨揚(yáng)程增加而減小，其最大值為1.23，其他相對(duì)幅值均在0.4～1.2之間波動(dòng)。

4 結(jié)論及建議

（1）模型最高裝置效率為79.98%，對(duì)應(yīng)的葉片安放角為-4°，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為H=4.89m，模型流量為0.317m3/s，對(duì)應(yīng)原型流量為9.48m3/s。

（2）根據(jù)不同葉片角度下的水泵裝置性能參數(shù)，葉片安放角為0°時(shí)，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.89m，效率為78.39%，模型流量為0.376 m3/s，原型流量為11.24 m3/s，滿足工程要求。

（3）水泵模型裝置最小汽蝕余量發(fā)生在葉片安放角為-2°時(shí)，臨界汽蝕余量為4.70m，對(duì)應(yīng)揚(yáng)程為H=2m。

（4）葉片安裝角為-4°、揚(yáng)程為7.0m時(shí)，原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速456.51rpm（1.83倍額定轉(zhuǎn)速），在最大揚(yáng)程以內(nèi)最大飛逸轉(zhuǎn)速均未超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.86倍。葉片安裝角為0°、揚(yáng)程為4.89m時(shí)，原型泵飛逸轉(zhuǎn)速358.56rpm（1.43倍額定轉(zhuǎn)速），在設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速未超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.5倍。

（5）參照南水北調(diào)和重要工程泵站的模型試驗(yàn)結(jié)果，我國(guó)模型裝置效率大致指標(biāo)：軸流泵，揚(yáng)程（m）為 3、4、5、6、7，對(duì)應(yīng)效率分別為為74、75、76、77、78。參照本次模型試驗(yàn)結(jié)果，葉片安放角度為 -6°、-4°、-2°、0°、+2°、+4°時(shí)，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程（4.89m）下，其效率均不低于77.4%。該泵站采用的水泵模型達(dá)到了同類泵站中的較高水平■