大寨河雙向流道泵裝置模型試驗及壓力脈動分析

趙振江 石 磊 蔣紅櫻 湯方平 卜 舸

（1.江蘇省泗洪縣水利局 宿遷 223900 2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司 南京 210029 3.揚州大學水利科學與工程學院 揚州 225009 4.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 揚州 225009）

1 工程概況

大寨河閘站工程位于新濉河右堤，其主要功能是汛期向外河排澇，平時向內河引水用于改善城區水環境，因此需雙向引排，泵站采用了“X”型雙層箱涵式進出水流道。其泵站設計排澇流量為29.09m3/s，設計引水流量7.0m3/s。大寨河閘站工程選用4 臺立式軸流泵機組，配500kW 立式異步電機4 臺套，主水泵葉輪直徑D=1600mm，轉速n=245r/min，單機設計流量為7.3m3/s，總裝機容量2000kW。泵站采用“X”型雙層箱涵式進出水流道，其中2 臺為單向運行，2 臺為雙向運行，機組由快速閘門斷流。

2 泵裝置模型試驗系統

大寨河閘站為立式軸流泵裝置，“X”型雙層箱涵式進出水流道。本文通過模型試驗對泵裝置性能展開研究，水泵裝置模型比尺為1∶5.33，根據相似換算關系，將原型泵各參數按照nD 值相等原則換算到模型泵參數，葉輪選用TJ04-ZL-23 水力模型葉輪，葉片數為3。等揚程換算后的模型泵葉輪直徑Dm=300mm，轉速nm=1307r/min。

泵裝置模型試驗在揚州大學測試中心的高精度水力機械試驗臺上進行。試驗臺為立式封閉循環系統，該試驗臺水力封閉循環系統的總長度為60.0m，管道直徑為0.5m，僅在安裝電磁流量計的前后10倍直管段為直徑0.4m 管道，整個系統水體積為50m3。在流道與模型泵葉輪室設有觀察窗以便觀察出水流道內流動及葉片處的汽蝕狀況。

3 模型試驗結果

3.1 能量性能試驗

對大寨河模型泵裝置5 個葉片安放角度（+2°、0°、-2°、-4°和-6°）的能量性能進行測試。根據試驗結果整理得到大寨河閘站水泵裝置模型綜合特性曲線，如圖1 所示（轉速為1307r/min，葉輪直徑為300mm）。按水泵相似律公式換算，大寨河閘站原型泵裝置綜合特性曲線如圖2 所示（轉速為245r/min，葉輪直徑為1600mm）。表1 給出了各角度最優工況參數。能量試驗結果表明，泵裝置在葉片安放角-2°，模型泵裝置設計揚程為3.1m 時，流量為273.2L/s，泵裝置效率為73.6%，對應原型泵裝置揚程3.1m 時，流量為7.77m3/s，大于設計流量7.3m3/s。模型泵裝置揚程為4.0m 時，流量為232L/s，泵裝置效率為71.9%，對應原型泵裝置最高揚程為4.0m 時，流量為6.60m3/s；模型泵最大運行揚程超過5.0m，滿足大寨河閘站最大揚程4.0m 的運行要求。

圖1 大寨河閘站模型泵裝置綜合特性曲線圖

圖2 大寨河閘站原型泵裝置綜合特性曲線圖

圖3 大寨河閘站原型泵飛逸特性曲線圖

圖4 0°不同位置水壓脈動時頻對照圖

表1 水泵裝置性能試驗最優效率數據表

表2 各葉片安放角下的單位飛逸轉速數據表

表3 各葉片安放角下原型泵飛逸轉速數據表（最高揚程3.8m 時）

3.2 汽蝕性能試驗

水泵裝置模型的汽蝕試驗采用定流量的能量法，取水泵裝置模型效率較其性能點低1%的有效汽蝕余量作為臨界汽蝕余量（以葉輪中心為基準）。對各角度下5 個特征揚程點進行汽蝕性能試驗，得出臨界汽蝕余量并在綜合特性曲線中用等臨界汽蝕余量曲線表示。汽蝕試驗結果表明，原型泵裝置在葉片安放角-2°時，揚程在1.0～4.0m 運行工況范圍內臨界汽蝕余量均在6.0m 以內；在1.0m 以下低揚程工況，汽蝕性能急劇變差。

3.3 飛逸特性試驗

當泵系統發生故障造成水泵突然停機時，若出水流道斷流設施失靈，水泵將發生逆轉進入水輪機工況，當轉速達到最大值持續運行時，水泵處于飛逸狀態，通過飛逸轉速可確定葉輪零部件強度。本次試驗通過對試驗臺測試系統的切換，調節輔助泵使水泵運行系統反向運轉，扭矩儀不受力，測試不同揚程下模型泵的轉速，各葉片安放角下的單位飛逸轉速如表2。根據試驗結果整理可得大寨河閘站原型泵飛逸特性曲線，如圖3 所示。在最大凈揚程下，各葉片安放角下原型泵飛逸轉速如表3。可以發現，葉片安放角越小，單位飛逸轉速越高；葉片角度在-2°時，最高揚程3.8m 以下，原型泵最大飛逸轉速小于機組額定轉速1.57 倍。

圖5 不同工況峰峰值變化情況圖

3.4 壓力脈動試驗

3.4.1 測試設備與安裝位置

對大寨河模型泵裝置進行壓力脈動測試，傳感器采用高頻動態微型傳感器CYG505，壓力脈動傳感器安裝在葉輪進口和出水喇叭出口上，傳感器分絕壓和表壓兩種，絕壓量程0～200kPa（1 個，葉輪進口），表壓傳感器量程0～200kPa（1 個，出水喇叭出口）。本次試驗選用的采樣頻率為100kHz，傳感器輸出采用0～5V 電壓輸出，準確度等級為0.25%。采集儀采用與傳感器匹配的SQQCP-USB-16 動態采集儀。

3.4.2 測試結果

對3 個葉片安放角下葉輪進口壓力脈動、泵出口喇叭出口壓力脈動進行了測試，試驗實際轉速為1307r/min。水壓脈動的試驗采集數值與測點位置緊密相關。葉輪進口水壓脈動主要受旋轉及葉片數影響，主頻是轉頻、葉頻及倍葉頻；出水喇叭出口壓力脈動較小，頻譜較寬，主頻不明顯。對-2°、0°、+2°三個葉片安放角下葉輪進口和出水喇叭出口水壓脈動做出測試，選取0°高揚程工況時頻對照如圖4 所示，不同角度規律類似，葉輪進口脈動規律明顯，主頻為3 倍轉頻，而出水喇叭出口處流態紊亂，主頻不明顯。不同角度、不同位置壓力脈動峰峰值隨流量的變化曲線如圖5 所示，從圖中可以看出，在測量工況范圍內，葉輪進口水壓脈動峰峰值隨著角度的增大而增大，且各工況下，揚程越大，壓力脈動越大；出水喇叭出口水壓脈動峰峰值隨著角度改變，無明顯規律。壓力脈動整體規律體現出常規軸流泵水壓脈動特點。

4 結論

（1）能量試驗結果表明，泵裝置在葉片安放角-2°，模型泵裝置設計揚程為3.1m 時，流量為273.2L/s，泵裝置效率為73.6%，對應原型泵裝置揚程3.1m 時，流量為7.77m3/s，大于設計流量7.3m3/s。模型泵裝置揚程為4.0m 時，流量為232L/s，泵裝置效率為71.9%，對應原型泵裝置最高揚程為4.0m 時，流量為6.60m3/s；模型泵最大運行揚程超過5.0m，滿足大寨河閘站最大揚程4.0m 的運行要求。

（2）汽蝕試驗結果表明，原型泵裝置在葉片安放角-2°時，揚程在1.0～4.0m 運行工況范圍內臨界汽蝕余量均在6.0m 以內；在1.0m 以下低揚程工況，汽蝕性能急劇變差，實際運行時應注意觀察振動情況，必要時采取工程措施調節工況。

（3）試驗結果表明，進水流道內流態穩定，無明顯漩渦產生，水泵運行平穩；泵裝置效率較高，高效區較寬。

（4）水壓脈動符合常規軸流泵水壓脈動規律，無異常現象。

（5）葉片安放角越小，單位飛逸轉速越高；葉片角度在-2°時，最高揚程3.8m 以下，原型泵最大飛逸轉速小于機組額定轉速1.57 倍■