烏江泵站水力模型選擇及泵裝置模型試驗研究

（江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司 南京 210024）

1 泵站概況

烏江抽水站是安徽省駟馬山引江工程的首級提水泵站。泵站[1]原規劃設計安裝2.8CJ-70型軸流泵10臺，總裝機容量1.6萬kW，總流量210m3/s。目前已安裝2.8CJ-70軸流轉漿式水泵6臺，水泵葉輪直徑2.8m，轉速150r/min，設計揚程5.62m，設計流量21.0m3/s，配套同步電機型號為TDC-325/360-40，單機容量1600kW。自1978年泵站建成、投入運行以來，發揮了巨大的社會經濟效益。長期以來，烏江泵站實際運行中存在若干問題，其中當泵站進口水位（長江水位）低于設計水位時，葉輪淹沒深度不足，機組汽蝕振動嚴重，影響著機組的壽命及運行安全。1982年曾對7#機組進行葉片換型改造，有效改善了機組在長江低水位、低揚程時汽蝕狀況。

2 模型試驗裝置及模型選擇

2.1 模型試驗臺

模型試驗在揚州大學江蘇機電排灌工程研究所泵站試驗臺進行。試驗臺為平面布置式，由動力及控制系統、水力循環系統和測量系統組成。水力系統主要包括：100m3開敞貯水池、2m×2.0m×3.0m移動式鋼箱、25m3真空（壓力）箱、Φ500 回水管、75m3水量調節池、25m3壓力箱等；動力設備包括：40kW 動力機，30kW 潛水輔助泵及真空泵。試驗臺動力機采用直流電動機，調速設備采用英國EUROTHERM DRIVES LIMITED 公司生產的591C 直流裝置，同時配LC60BM-C15F 光電編碼器反饋，轉速控制精度為±0.01%。

試驗臺主要工作參數：揚程為-1～16m；流量為0～0.8m3/s；動力機功率40kW，轉速0～1600r/min。

2.2 水力模型選擇

本文在TJ04-ZL-02 水力模型的基礎上[1]，結合烏江站的特征揚程、設計流量以及淹沒深度要求，及原2.8CJ-70導葉，進行了模型改進，采用多工況優化設計方法結合CFD技術，開發了高效區寬、汽蝕性能好的WJ-12模型。模型采用WJ-12模型葉輪搭配2.8CJ-70導葉，結合原進、出水流道組成泵裝置。同時在揚州大學高精度泵站試驗臺上驗證了模型的水力性能。

3 主要參數測量

3.1 流量Q

流量通過轉換器IMT-25 直接讀取，采用專用微機系統進行顯示和記錄；繞流管流速流量計安裝于電磁流量計前，其差壓水柱、流量值、流速通過專用二次儀表直接讀取。

3.2 裝置揚程Hsy

分別于進口水箱和出水壓力水箱壁處設測壓點，并選取斷面1-1、2-2，經穩壓后接差壓變送器，則忽略損失后水泵的裝置揚程為：

由于本試驗臺水箱過水斷面積足夠大，則v1≈v2。本實驗壓差變送器的高、低壓進口管安裝在同一高程，即Z1=Z2，水泵裝置揚程Hsy=（p1-p2）/ρg，則差壓變送器mH2O 讀數即為水泵裝置揚程Hsy（m）。

3.3 扭矩T、軸功率P、轉速n

模型泵的軸扭矩T（N·m）、轉速N（r/min）及軸功率P（kW）由JN338型測功扭矩儀二次儀表直接讀取，同時通過儀表串行口R232 接專用微機系統進行顯示和記錄。

模型泵軸功率采用可靠的馬達天平測功機進行比測，馬達天平的軸功率由下式計算：

式中：G、G0分別為負載條件和同轉速無水空轉條件下的砝碼重（kgf）；L為馬達天平臂桿長（m），L=0.974m。

3.4 模型裝置效率

模型泵試驗轉速按等揚程相似準則確定：

模型泵裝置效率按下式計算：

式中：ρ為水體密度（kg/m3）；g為重力加速度（m/s2）；Q為模型流量（m3/s）；Hsy為模型裝置揚程（m）；P為模型泵輸入軸功率（W）；P0為空載功率（W）。

所有測得參數值均由微機測控系統顯示和記錄。

3.5 泵裝置有效汽蝕余量和臨界汽蝕余量

裝置汽蝕余量是指水泵在一定進水流道條件下的汽蝕余量。本試驗采用壓差變送器測定裝置的汽蝕余量，其高壓端接進口水箱揚程測孔，低壓端接具有自由水面的開敞有機玻璃容器，容器內自由水面與泵葉輪中心同高。若變送器實測壓差值為△h（m），則泵裝置有效汽蝕余量：

表1 -6°模型裝置能量性能數據表

圖1 原型綜合特性曲線圖（一）

圖2 原型綜合特性曲線圖（二）

圖3 WJ-12原型裝置-6°葉片角揚程特性曲線圖

圖4 WJ-12裝置臨界汽蝕余量變化曲線圖

圖5 WJ-12原型泵-6°飛逸轉速變化曲線圖

式中：pa為當地的標準大氣壓（Pa），pa/（ρg）=10.33m；pv為試驗水溫下的飽和蒸汽壓（Pa），水溫攝氏25℃時pv/（ρg）≈0.33m。

則有效汽蝕余量為：

根據《水泵模型及裝置模型驗收試驗規程》（SL140-2006）的規定，臨界汽蝕余量NPSHC按泵效率下降1%時的汽蝕余量作為臨界值。試驗時保持流量不變，通過對封閉循環系統抽真空，裝置有效汽蝕余量（有效凈正吸頭）隨系統真空度加大逐漸下降。必要時，采用頻閃觀測器直接觀測泵葉片汽蝕狀態，以確認實測NPSHC。

泵站試驗臺微機系統，不僅能夠顯示、記錄各測定量數，同時能將揚程Hsy、效率ηsy和汽蝕余量NPSH 進行圖象顯示和記錄。

3.6 泵裝置的飛逸轉速

飛逸轉速是指機組運行中，由于裝置水力短路或事故突然停機等特殊情況，機組在內外水位差的反向作用下的反向轉速。

通常通過拆除泵軸承聯軸器與扭矩傳感器的聯接螺栓，將輔助泵裝置開啟，以此產生穩定的反向水頭，強迫水泵反向轉動，測得水泵轉速，從而確定其即為相應水頭下的飛逸轉速nf。

4 試驗結果與分析

4.1 能量試驗結果

本文通過模型試驗，能夠得到以下動力特性研究成果：Hsy=Hsy（Q）及Hsy=ηHsy（Q）、P=P（Q，H）。試驗工況下的最高揚程可達到泵站最高運行凈揚程，最低揚程可達到泵站最低運行凈揚程。實際試驗0°、-2°、-4°、-6°、-8°等5個葉片角度，作出各葉片角度下模型試驗實測數據表（略）。

試驗在揚程特性曲線即將進入拐點區域時進行降速（n=980r/min），以驗證泵裝置揚程特性曲線不穩定運行工況（即拐點），至試驗接近零流量工況，-6°葉片角在不穩定運行工況區降速試驗的數據見表1。

4.2 原型裝置結果

烏江泵站原模型的揚程、流量按如下公式進行換算：

式中：下標r表示原模型比值；下標n表示原模型，m表示模型。原模型的裝置效率參考文獻進行效率換算：

式中：ηn為泵或泵裝置原型效率；ηm為泵或泵裝置模型效率；Q0和η0分別泵裝置最優工況點的流量及效率；K=H/Q2、K0=H0/Q02、KQ=Q/Q0。Kd=dmrDr-1（軸流泵），Kd=0.8～1.0；Ka=arDr-1，Ka=0.8～1.0；H0為泵裝置最優工況點揚程；a為葉輪外緣間隙；dm為推力軸承摩擦直徑；KP=1-ε+ε（△r/Dr）2/9；△為泵內壁面粗糙度，△r=1.5～2.5，可取2.0；ε=1/2～3/4，建議取0.7。

表2 單位飛逸轉速試驗結果表

經換算后，原型裝置綜合特性曲線如圖1、圖2。WJ-12 原型裝置-6°葉片角揚程特性曲線如圖3。

4.3 裝置汽蝕特性試驗結果

汽蝕試驗采用以下方法：采用Philips 芯片JCE110A-EMS4A-92DA 電容式差壓變送器測定泵葉輪中心mH2O 壓差△h（m），變送器量程-10～+10m。設具有自由水面的透明容器，保證水面與泵葉輪中心同高，與壓差變送器低壓端相連；高壓端接進口水箱揚程取壓連通管。無疑，變送器測得的mH2O絕對壓力（△h+10）即裝置汽蝕余量NPSHa及臨界汽蝕余量NPSHc。計算出各葉片角度下WJ-12 泵裝置臨界汽蝕余量NPSHC（表略）。各葉片角度下WJ-12 泵臨界汽蝕余量NPSHC變化曲線見圖4。

4.4 裝置飛逸特性試驗結果

單位飛逸轉速以下式表達：

式中：nf為實測試驗飛逸轉速。本次試驗測定了葉片角-6°工況下的飛逸轉速，其單位飛逸轉速見表2。

原型泵-6°隨揚程的飛逸轉速變化曲線如圖5。

4.5 試驗結果分析

通過對泵裝置模型試驗結果進行分析，WJ-12水泵葉輪配原2.8CJ-70 泵導葉，結合現有進出水流道的模型是有效的可行的，能夠保證泵裝置在不同特征工況下可靠運行，完全可以滿足泵站的運行要求。

4.5.1 各設計凈揚程工況的試驗（見表3）

其中，凈揚程Hsy=7.07 m 及Hsy=8.16 m時，單泵配套1600kW 電動機，水泵不會出現超載。

4.5.2 最大裝置效率及工況參數對比各工況模型試驗結果，表明在葉片角-6°時裝置效率較高，最高裝置效率為77.97%。此時，原型泵裝置對應工況點揚程、流量分別為Hsy=5.539 m和Q=18.755 m3/s。

4.5.3 汽蝕余量

表3 各設計凈揚程工況下試驗結果表

-6°～0°各葉片角度多工況點實際試驗結果分析表明，在-6°～-2°葉片角的可運行范圍內，臨界汽蝕余量均處6.0～8.2m范圍內，臨界汽蝕余量滿足最小淹沒深度1.7m的要求。說明泵站改造采用WJ-12模型應無危害性汽蝕產生。

4.5.4 飛逸轉速

水泵模型WJ-12 在葉片角-6°時單位飛逸轉速259.7 r/min。最大揚程Hsy=8m 工況下，事故停機飛逸轉速可達262r/min，為額定轉速1.75倍。

5 結語

本文模型裝置試驗在揚州大學高精度泵站試驗臺上進行，通過多次模型試驗嘗試，以烏江泵站實際運行情況為例，改進開發了WJ-12模型。運用該模型，對改進主泵的能量特性進行了試驗研究，據此繪制出模型綜合特性曲線，經過合理換算，獲得水泵的原型綜合特性曲線。同時，該研究還探究了水泵的汽蝕性能和飛逸轉速性能。研究結果表明，通過運用WJ-12模型試驗可得到較為理想的各性能指標。該試驗不但為烏江泵站主水泵葉輪改造工程的建設提供了科學的依據，同時，也為今后大型泵站的改造建設奠定了可靠科學研究的基礎■