黃金壩泵站平面S形貫流泵裝置物理模型試驗分析

張 松，錢 軍，高 慧，楊 帆

(1.揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007；2.揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

0 概 述

黃金壩泵站是揚州市“清水活水”工程的源頭，承擔為瘦西湖、唐子城及西部水系提供活水水源，提升城區(qū)水環(huán)境質(zhì)量和民生環(huán)境。黃金壩泵站引水設(shè)計流量18 m3/s，排澇設(shè)計流量3 m3/s，共4臺機組，3臺單向運行，單機設(shè)計流量為4.5 m3/s；1臺雙向運行，正向引水設(shè)計流量為4.5 m3/s，排澇設(shè)計流量為3 m3/s。黃金壩泵站設(shè)計引水凈揚程為0.65 m，排澇設(shè)計凈揚程為1.22 m，為超低揚程泵站，宜采用裝置效率相對較高且開挖深度小、結(jié)構(gòu)簡單、易于管理的貫流泵裝置形式。通過多方案比選，確定采用平面S形軸伸貫流泵裝置形式[1]。

現(xiàn)有的平面S形軸伸貫流泵裝置效率普遍較低，在相同水力模型時，S形軸伸貫流泵裝置因在導(dǎo)葉體出口處連接有一段S形彎管，其S形彎管和出水流道的水力損失及速度環(huán)量的回收能力是影響S形軸伸貫流泵裝置整體性能的主要因素[2-5]。以黃金壩泵站結(jié)構(gòu)尺寸為優(yōu)化基礎(chǔ)，以平面S形軸伸貫流泵裝置的S形彎管和流道為突破口進行優(yōu)化設(shè)計，研發(fā)了高效新型S形彎管并應(yīng)用于S形軸伸貫流泵裝置，高效S形彎管以變曲率橢圓取代圓形斷面，控制二次流，減小出水擴散角及水力損失，提高管路效率。根據(jù)泵站水位及特征揚程，選擇ZM25A水力模型。模型試驗共測試了泵裝置能量性能、汽蝕性能和飛逸特性。

1 模型泵裝置試驗

1.1 泵裝置模型設(shè)計

以最小阻力損失為目標，對S形彎管的漸變斷面的過渡形式及三維形體進行了設(shè)計優(yōu)化，S形彎管的設(shè)計改變了由圓形面到圓形面的等半徑傳統(tǒng)設(shè)計思路，采用了由橢圓面漸擴至橢圓面的新設(shè)計思路，即用變橢圓系數(shù)的橢圓斷面取代傳統(tǒng)等半徑圓形斷面，以此增強S形彎管對導(dǎo)葉體出口水流剩余環(huán)量的回收能力，便于導(dǎo)葉體出口水流的擴散以及剩余環(huán)量的回收，降低S形彎管的水力損失。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計獲得的高效S形彎管如圖1所示。

圖1 高效S形彎管Fig.1 Efficient S-shaped elbow

根據(jù)黃金壩泵站水位設(shè)計特征揚程，單向運行的3臺平面S形軸伸貫流泵裝置優(yōu)選ZM25A水力模型，水力模型葉輪名義直徑Dm=300 mm，原型泵葉輪直徑DP=1 350 mm，幾何比尺λ=DP/Dm=4.5，進出水流道采用鋼板焊接制作加工，葉輪為銅加工制作，導(dǎo)葉片采用薄鋼板制作表面涂環(huán)氧樹脂，模型泵裝置如圖2所示。模型試驗準則為歐拉相似準則，即要求原型與模型nD值相等，原型泵轉(zhuǎn)速np=227 r/min，模型泵轉(zhuǎn)速nm=1 022 r/min。

圖2 平面S形貫流泵裝置物理模型Fig.2 Physical model of S-shaped shaft extension pumping system

1.2 試驗系統(tǒng)

黃金壩泵裝置物理模型試驗在江蘇省高校重點實驗室的高精度水力機械試驗臺上進行，試驗臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。該試驗臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，總長度為60.0 m，管道直徑為0.5 m，僅在安裝電磁流量計的前后一定范圍的直管段為直徑0.4 m的管道，葉輪室設(shè)置有觀察窗，便于觀測葉片處的水流形態(tài)，整個測試系統(tǒng)水體積為50 m3。高精度試驗臺的綜合不確定度為±0.39%，于2015年通過國家計量復(fù)檢。

試驗臺的主要技術(shù)參數(shù)的流量測試范圍為：0.1～0.5 m3/s，揚程測試范圍為-6.0～21.0 m，轉(zhuǎn)矩測試范圍為0～500 N·m，轉(zhuǎn)速測試范圍為0～2 000 r/min。測試的主要設(shè)備有：差壓變送器EJA110A，電磁流量計E-mag型，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器ZJ和絕對壓力變送器EJA310。

1-進水箱；2-受試泵裝置及驅(qū)動電機；3-壓力出水箱；4-分叉水箱；5-稱重傳感器； 6-原位標定裝置；7-調(diào)節(jié)閘閥；8-穩(wěn)壓整流筒；9-電磁流量計；10-控制閘閥；11-輔助泵機組圖3 高精度水力機械試驗臺示意圖Fig.3 High precision hydraulic machinery test stand

1.3 測試方法

各項性能測試依據(jù)文獻[6]的規(guī)定進行測試。裝置揚程等于進、出口測壓斷面的總能頭差，總能頭差等于兩斷面的靜壓差與動壓差的代數(shù)和，計算式如下：

(1)

由于進、出口測壓斷面過水斷面積相等，因此，動壓差近似為零。

泵裝置流量DN400直接由電磁流量計測得。模型泵裝置機械損失轉(zhuǎn)矩主要由軸承與軸封摩擦損失等造成，在機組無水運轉(zhuǎn)時測出。每次調(diào)整葉片安放角后先測試空載轉(zhuǎn)矩，再充水進行性能試驗。泵軸的轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩，由安裝于驅(qū)動電機和水泵軸之間的ZJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器直接測得。模型泵裝置效率為扣除機械損失轉(zhuǎn)矩后的數(shù)值，由下式計算：

(2)

式中：η為模型泵段效率，%；Q為模型泵段流量，m3/s；H為模型泵段揚程，mH2O；M為模型泵段輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；M′為模型泵段機械損失轉(zhuǎn)矩，N·m；n為模型泵段試驗轉(zhuǎn)速，r/min。

汽蝕試驗保持流量不變，通過封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)抽真空，逐步減小系統(tǒng)壓力的方法，使泵內(nèi)發(fā)生汽蝕。不同系統(tǒng)壓力下的汽蝕余量值由下式計算：

(3)

式中：NPSHav為汽蝕余量，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(zhuǎn)中心線與葉輪外殼交點的高度值，m。

測試過程中，流量保持常數(shù)，效率下降1%確定為臨界汽蝕余量NPSHre。

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

(4)

計算可得相應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速和單位流量。取出當單位飛逸轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定時的數(shù)值作為單位飛逸轉(zhuǎn)速n′，相應(yīng)的單位流量作為單位飛逸流量Q′。原型泵的實際飛逸轉(zhuǎn)速可由下式確定：

(5)

式中：nR,p為原型泵的實際飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；DP為原型泵的葉輪名義直徑，m；HP為原型泵規(guī)定點的揚程，m。

2 模型試驗結(jié)果與分析

2.1 能量性能試驗

平面S形軸伸貫流泵裝置模型試驗共測試了5個葉片安放角(-6°、-4°、-2°、0°、+2°)的能量性能。各角度時泵裝置的最優(yōu)工況參數(shù)如表1所示，模型泵裝置的綜合特性曲線如圖4所示，采用等效率換算的原型泵裝置的綜合特性曲線如圖5所示。

泵裝置模型能量性能試驗結(jié)果可知：在測試的葉片安放角范圍內(nèi)，泵裝置的最高效率達78.35%，此時泵裝置的流量為244.21 L/s，裝置揚程為2.003 m，葉片安放角為+2°；在揚程1.5～2.0 m范圍內(nèi)，泵裝置的效率均在73%以上，泵裝置高效區(qū)運行的流量范圍較大，高效區(qū)覆蓋范圍較寬。在葉片安放角度-6°、-4°、-2°、0°和+2°時平面S形軸伸貫流泵裝置的最高效率分別為76.72%、77.56%、77.10%、77.72%和78.35%。

表1 平面S形軸伸貫流泵裝置最優(yōu)效率點Tab.1 Best efficiency point of S-shaped shaft extension pumping system

圖4 黃金壩泵站的裝置模型綜合特性曲線Fig.4 Synthetic characteristic curve of Huangjinba pumping system

圖5 黃金壩泵站原型綜合特性曲線Fig.5 Prototype synthetic characteristic curve of Huangjinba pumping system

2.2 空化性能試驗

模型泵裝置的空化性能試驗采用定流量的能量法，依據(jù)文獻[6]的規(guī)定：取水泵效率較其性能點低1%的汽蝕余量作為臨界汽蝕余量(以葉輪中心為基準)。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同葉片安放角時泵裝置的必需汽蝕余量曲線Fig.6 Required NPSH curves of pumping system under different vane angles

試驗結(jié)果表明，5個葉片安放角度時泵裝置的必需汽蝕余量均小于7.0 m；在相同葉片安放時，泵裝置的必需汽蝕余量均隨著流量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

2.3 飛逸特性試驗

為確定模型泵的飛逸轉(zhuǎn)速，采用通過閘閥切換使得試驗臺中的輔助水泵反向供水。根據(jù)文獻[6]中6.3節(jié)飛逸特性試驗方法，主泵在額定轉(zhuǎn)速下反向運轉(zhuǎn)時，調(diào)節(jié)輔助泵轉(zhuǎn)速保持至某一穩(wěn)定工作水頭，當輸出力矩為零時測得水泵在該角度下的單位飛逸轉(zhuǎn)速。因單位飛逸轉(zhuǎn)速對同一系列水泵是同一數(shù)值，從而根據(jù)模型試驗得到的單位飛逸轉(zhuǎn)速可以計算獲得不同揚程時原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速。原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速nR,p可以根據(jù)公式計算：

(6)

經(jīng)測試，模型泵的飛逸特性曲線如圖7所示，經(jīng)換算后的原型泵的飛逸特性曲線如圖8所示。經(jīng)換算后獲得的原型泵飛逸轉(zhuǎn)速，是確定水泵零部件強度的重要依據(jù)，因模型試驗測試飛逸轉(zhuǎn)速和工程實際中原型泵發(fā)生飛逸情況存在差異，且實際工程嚴禁原型泵出現(xiàn)飛逸工況，故當前原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速均按模型試驗所得模型泵的飛逸轉(zhuǎn)速進行換算。

圖7 模型泵的飛逸特性曲線Fig.7 Runaway characteristic curves of model pumping system

圖8 原型泵的飛逸特性曲線(換算)Fig.8 Runaway characteristic curves of prototype pumping system(Conversion result)

在相同葉片安放角時，飛逸轉(zhuǎn)速隨揚程的增大而增大，但達到某一揚程時飛逸轉(zhuǎn)速趨于定值；在葉片安放角-4°，揚程0～1.4 m時，模型泵裝置的飛逸轉(zhuǎn)速均大于其余各葉片方角度時泵裝置的飛逸轉(zhuǎn)速。

3 結(jié) 語

(1)高效平面S形軸伸貫流泵裝置的最高效率達78.35%，此時泵裝置的流量為244.21 L/s，裝置揚程為2.003 m，葉片安放角為+2°。

(2)在揚程1.5～2.0 m范圍內(nèi)，泵裝置的效率均在73%以上，泵裝置高效區(qū)運行的流量范圍較大，高效區(qū)覆蓋范圍較寬。馬鞍區(qū)峰點揚程大于3.0 m，滿足黃金壩泵站最高運行水位的要求。臨界汽蝕余量較低，滿足安裝葉輪淹沒深度要求。

該工程已于2015年投入運行，2015年開機至2017年12月31日累計運行20 108臺時。經(jīng)泵站現(xiàn)場試驗表明，原型平面S形軸伸泵裝置的能量性能與物理模型試驗的結(jié)果基本一致，泵站運行平穩(wěn)，效率高，振動噪聲小。