15度斜式軸流泵裝置水動力特性實驗研究

謝麗華，王福軍，何成連，蘇勝利，張樹存，汪寶羅

（1.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002；2.中國農業(yè)大學 水利與土木工程學院，北京 100083；3.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；4.嘉興市杭嘉湖南排工程管理局，浙江 嘉興 314001）

1 研究背景

為滿足防洪、排澇和灌溉等要求，從1980年代末期開始，我國陸續(xù)在一些設計揚程為2～4 m 的低揚程泵站選用斜式軸流泵，如內蒙紅圪卜泵站選用了45°斜式軸流泵、江蘇新夏港泵站選用了30°斜式軸流泵，上海太浦河泵站選用了15°斜式軸流泵［1］。低揚程泵站流量大、揚程低，進出水流道水力損失對裝置效率影響大，斜式軸流泵進水流道無需立式軸流泵的90°轉彎收縮，因此具有較高的水力效率；斜式軸流泵也無需貫流泵那樣將電機安裝在進出水流道之間，因此具有較好的通風、采光、防潮條件［2］。

相比于大傾角斜式軸流泵，15°斜式軸流泵進水流道的轉彎半徑更小，泵段水力性能更好，泵房開挖深度更小，可較好地結合貫流泵與立式軸流泵的優(yōu)點，在低揚程大流量場合展示出了比較明顯的優(yōu)勢，因此，除上海太浦河泵站外，湖南黃蓋湖泵站、浙江鹽官泵站和廣東文頭嶺泵站等一批泵站均選用了15°斜式軸流泵［3］，其中，裝機規(guī)模最大的泵站是浙江鹽官泵站。該泵站設計流量200 m3/s（200×103L/s）、設計凈揚程2.43 m，安裝了4 臺3800ZXQ50-2.8 型15°斜式軸流泵，水泵轉速90 r/min，葉輪直徑3800 mm，單泵流量50 m3/s（50×103L/s），功率2000 kW［4］。泵站自1998年投入運行以來，展現出了優(yōu)良水力性能，較好發(fā)揮了防洪排澇功能。然而，由于泵軸傾斜，出水流道前端呈S 形彎曲，流道內存在二次流和偏流［5］，導致某些工況下壓力脈動大、振動突出等問題。

目前國內外對斜式軸流泵水力性能研究成果主要集中在水力模型試驗和內部流場數值計算兩個方面［5-7］。通過水力模型試驗研究，施衛(wèi)東［4］、楊帆［5］等均認為斜式軸流泵相比于普通軸流泵進水流道效率較高，而出水流道水流狀態(tài)較差，需要對出水流道進行水力優(yōu)化。仇寶云等［8-9］通過數值計算發(fā)現，無論是普通立式軸流泵，還是斜式軸流泵，出水流道均存在比較明顯的回流，回流導致流道左面兩個流量不均。Zhang 等［10］認為，斜式軸流泵內部的空化問題呈現葉輪上、下不均勻現象，需要在葉輪設計和運行中加以控制。現有研究成果為斜式軸流泵的設計與運行提供了參考，但針對特定傾角的斜式軸流泵的定量化研究成果還不多，對斜式軸流泵內部流態(tài)及外部瞬態(tài)特性的研究還不多見。

為了使鹽官泵站更加充分地發(fā)揮作用，項目組近期對水泵機組和進出水流道進行了優(yōu)化。在優(yōu)化過程中重點以控制二次流、減輕出水流道偏流現象為重點，對進水流道和出水流道型線進行了重新設計，將南水北調同臺對比試驗得到的優(yōu)秀水力模型TL04-ZL-20 作為泵段模型，研制了新的15°斜式軸流泵裝置，對泵內部流態(tài)及水動力特性進行了比較系統(tǒng)的實驗研究，獲得了不同葉片角度下的能量、空化、壓力脈動和飛逸等特性，為同類型泵站的建設和運行提供了依據。

2 泵裝置設計及實驗系統(tǒng)布置

研究對象為浙江鹽官泵站優(yōu)化設計的15°斜式軸流泵裝置模型，該裝置模型如圖1所示。模型泵型號為TJ04-ZL-20，葉輪直徑300 mm，葉片數4，導葉葉片數7，實驗轉速1250 r/min，換算轉速1450 r/min，旋向為逆時針（從泵進口方向看）。進水流道長1414 mm，進口為730 mm×475 mm 矩形斷面，出口為直徑330 mm 的圓斷面。出水流道長由彎管段和平直段組成，長1536 mm，平直段內有隔墩，出水流道進口為直徑315 mm 的圓斷面，出口為780 mm×345 mm 矩形斷面。

圖1 15°斜式軸流泵裝置（單位：mm）

實驗在中水北方公司的水泵試驗臺上進行，效率綜合不確定度為±0.3%。在進水流道左側和右側、出水流道左側和右側分別設置了觀察窗，用于觀察流態(tài)；在透明的觀察窗玻璃上粘貼了紅色絲線，用于觀察瞬態(tài)流動方向及流動誘導的旋渦情況；在葉輪室側面開設了空化狀態(tài)觀察窗，通過閃頻儀觀察葉片表面的空化泡分布；在葉輪進口、出口、導葉出口和出水流道出口設置了壓力脈動傳感器，用于監(jiān)測壓力脈動演變規(guī)律。

3 能量特性與空化特性

3.1 能量特性在6 個不同葉片角度（-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°）進行了泵裝置能量特性測試，泵裝置能量性能曲線見圖2所示。實驗結果表明，泵裝置最高效率在葉片角度為-8°、-6°、-4°、-2°、0°和+2°時分別為75.72%、76.17%、75.97%、75.79%、75.53%和75.14%，泵裝置整體最高效率出現在葉片角度-6°，達76.17%，對應流量和裝置揚程分別為310.59 L/s和6.356 m。

圖2 泵裝置特性曲線

根據文獻［6］，采用相同泵段模型，在相同試驗臺上得到的泵段最優(yōu)工況下能量特性參數如表1所示，泵段最優(yōu)效率出現在葉片角度+4°，達86.05%，對應流量和泵段揚程分別為392.64 L/s 和7.130 m。對比泵裝置和泵段的實驗結果，泵裝置最優(yōu)效率比泵段最優(yōu)效率減小9.88%，且從葉片角度+4°偏向了-6°，對應的最優(yōu)流量減小了83.05 L/s， 相當于減小20.89%。這一變化說明斜式軸流泵裝置對泵段的影響大于常規(guī)立式軸流泵［7］，需要在斜式軸流泵站水力設計和運行方面給予更多關注。

3.2 空化特性葉片角度為-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°時的泵裝置臨界空化余量曲線如圖3所示，這里的臨界空化余量是指效率下降1%所對應的裝置空化余量。從圖3可以看出，隨著葉片角度減小，最優(yōu)空化流量向小流量偏移，最優(yōu)臨界空化余量下降，在-8°時最優(yōu)臨界空化余量為5.32 m。在裝置最優(yōu)工況（對應于葉片角度-6°時的流量310.59 L/s）臨界空化余量為5.83 m，是該葉片角度下的最低臨界空化余量。這說明，在最高效率工況點，泵裝置的空化狀態(tài)也接近于最優(yōu)。

實驗發(fā)現，隨著泵進口能量的降低，葉輪葉片表面開始出現可以觀察到的空化泡。在所有葉片角度下，當流量低于最優(yōu)空化流量時，空泡首先出現在葉片背面靠近進口的區(qū)域，如圖4（a）所示。當裝置空化余量低到使泵裝置效率下降1%時，即圖3中臨界空化余量值對應的空化狀態(tài)，葉片背面的空化區(qū)將顯著增大，如圖4（b）所示。這說明，對于斜式軸流泵而言，采用效率下降1%作為確定臨界空化余量的作法，是有待商榷的。Jones［11］也給出了類似結論。

表1 泵段最優(yōu)工況點參數［6］

圖4 葉片角度+2°時的空泡分布

對于較大負葉片角度情況，如-8°時，在小流量工況下的空泡分布特性與較大正葉片角度情況類似，但在大流量工況下，如大于最優(yōu)空化流量的工況，葉片表面的空泡區(qū)域首先出現在葉片工作面靠近進口的區(qū)域，如圖5（a）所示。當裝置空化余量進一步下降后，該區(qū)域的空泡區(qū)加大，同時在葉片背面靠近葉片中部甚至尾部區(qū)域出現空泡區(qū)，如圖5（b）所示。這說明，葉片角度不同，所出現的空泡位置及區(qū)域大小也不同。特別是在較大負葉片角度下，葉片工作面的空泡區(qū)增長迅速。這說明圖3中葉片角度-8°時臨界空化余量曲線在大流量區(qū)快速增長的原因是空泡區(qū)面積增長較快。這一結果表明，葉輪在較大負葉片角度下工作時，易出現空化等不穩(wěn)定現象，應盡量避免斜式軸流泵長期在較大負葉片角度下工作。

圖5 葉片角度-8°時的空泡分布

在某些特定工況下，特別是不存在葉片表面空化的較高裝置空化余量條件下，在輪緣處還可以觀察到間隙空化的現象，間隙泄漏渦呈條帶狀分布，始于葉片進口邊，向葉片尾部延展，如圖6所示。當裝置空化余量減小使葉片進口出現翼型空化時，翼型空化對間隙空化產生擾動作用而使間隙空化減弱甚至消失，而翼型表面的空化區(qū)域開始變大。

圖6 間隙空化現象

4 瞬態(tài)動力特性

4.1 飛逸特性進行了6 個葉片角度下的飛逸轉速實驗，其單位飛逸轉速見表2。可以看出，隨著葉片角度的減小，泵裝置飛逸轉速增大，在葉片角度為-8°時產生最大單位飛逸轉速n1R=307.12 r/min。根據單位飛逸轉速的計算式，可求得對應的飛逸轉速為nR=2507 r/min，達到額定轉速1450 r/min 的1.73 倍。將該參數換算到原型泵站后，飛逸轉速也是比較大的，遠遠超過設計規(guī)范［12］的允許值，需要在泵站設計時對飛逸轉速進行控制。

4.2 壓力脈動從泵裝置進口到出口共布置了7 個壓力脈動測點，其分布如圖7所示，各測點位置說明見表3。在葉片角度-2°、流量345 L/s、置信度97%條件下壓力脈動峰峰值如圖8所示，主要測點壓力脈動時域特性和頻域特性如圖9所示，這里的壓力脈動幅值以壓力系數Cp形式［13］表示，且定義為：

表2 單位飛逸轉速實驗結果

式中：p為測點壓力，Pa；pinlet為水泵進口平均壓力，Pa；Vinlet為水泵進口平均速度，m/s；ρ為水的密度，kg/m3。

圖7 泵裝置壓力脈動測點布置

表3 泵裝置壓力脈動測點布置

圖8 各測點的壓力脈動峰峰值

從圖8和圖9可以看出，壓力脈動峰峰值在葉輪進口前相對較小，在葉輪出口（無葉區(qū)）、導葉出口、出水彎管和出水流道內都較大，且處于同一水平上。與常規(guī)立式軸流泵［14-15］相比，斜式軸流泵壓力脈動在葉輪進口與葉輪出口區(qū)域的規(guī)律基本相同，但在導葉出口、出水彎管和出水流道內并未明顯降低，且在出水流道左右兩側出現了高低不同的現象。這是斜式軸流泵壓力脈動的特征之一。

分析圖9所示壓力脈動的頻率特性，注意到壓力脈動實驗為降速實驗（1250 r/min）的結果，軸頻fR=20.8 Hz，葉頻fB=83.2 Hz，可以看出，壓力脈動主頻在葉輪進口前以軸頻fR為主，在葉輪與導葉之間的無葉區(qū)以葉頻fB為主。在導葉出口處，主頻為100 Hz。隨著水流向下游流動，壓力脈動主頻則以低于軸頻的低頻（0.59fR～0.70fR）為主。這說明，在導葉出口出現了旋轉速度比較高的二次流，而這種二次流在進入出水彎管之后被削弱了。

圖9 主要測點壓力脈動頻域特性

4.3 偏流特性在實驗中，在出水流道出口的P6 和P7 監(jiān)測點附近還分別設置了流態(tài)觀察窗，在透明玻璃上粘貼了紅絲線，如圖10所示。可以看到，出水流道右側的絲線向上、向后擺動，左側的紅絲線向下、向前后擺動，這說明出水流道左側和右側都存在一定回流。順流動方向看，左右側回流均是逆時針的，即與泵軸轉動方向相同。從左側絲線向前擺動、右側絲線向后擺動趨勢分析，左側斷面平均流速應該大于右側，這說明出水流道內的隔墩兩側流量并不相同，左側過流量大于右側，我們稱這種現象為“偏流特性”。偏流現象也存在于配置了雙孔出水流道的常規(guī)立式軸流泵站［8］，偏流比可達1.27，使軸流泵效率降低1.6%左右。根據實驗觀測，斜式軸流泵的偏流比更大。

圖10 出水流道右側的觀察窗

圖11 斜式軸流泵出水彎管中的流線偏轉現象

采用文獻［16］中給出的斜式軸流泵CFD 設置模型，在保證網格獨立性的前提下，對斜式軸流泵內部流動進行了分析。研究發(fā)現，如果斜式軸流泵的導葉下游配置的不是S 形出水彎管而是平直擴散管，雖然導葉后面存在剩余環(huán)量作用，但流線整體上仍然是與泵軸平行的螺旋線，總體上均勻地向著出口流動，而對于配備了S 形出水彎管的斜式軸流泵，水流在出水彎管中經歷了S 形的兩段流線彎曲過程，在剩余環(huán)量和二次彎曲的共同作用下，流線從導葉出口就賂左側偏轉，如圖11所示。從圖中可以看出，左側流線的速度明顯大于右側，因此，形成了左側大于右側的偏流特性，計算得到的偏流比達到2.3。

5 結論

對15°斜式軸流泵裝置的能量特性、空化特性和壓力脈動特性等進行了實驗研究，取得以下主要結論：（1）與標準泵段相比，斜式軸流泵裝置的最優(yōu)工況點向著負葉片角度和小流量區(qū)偏移，對于本文研究對象，泵裝置最優(yōu)工況從葉片角度+4°偏向了-6°，最優(yōu)流量減小20.89%，最優(yōu)效率減小9.88%。（2）當裝置空化余量低到使泵裝置效率下降1%時，葉片背面出現占據近1/3 葉道區(qū)域的空化區(qū)。對于較大負葉片角度的大流量工況，空泡區(qū)首先出現在葉片工作面靠近進口的區(qū)域，當裝置空化余量進一步下降后，同時在葉片背面靠近葉片中部甚至尾部區(qū)域出現空泡區(qū)。（3）斜式軸流泵的飛逸轉速較常規(guī)立式軸流泵為大，在葉片角度為-8°時產生最大飛逸轉速，達額定轉速的1.73 倍。（4）斜式軸流泵表現出了與常規(guī)立式軸流泵不同的壓力脈動分布規(guī)律。斜式軸流泵壓力脈動在導葉出口、出水彎管和出水流道內明顯偏高，且在出水流道隔墩兩側出現了高低不同的現象，頻率以60%～70%軸頻為主。（5）在斜式軸流泵裝置的出水流道內，從水泵進口方向看，當葉輪逆時針旋轉時，隔墩左側流量大于右側。需要在斜式軸流泵的設計和運行方面對此加以控制。