通呂運(yùn)河水利樞紐工程貫流泵裝置模型試驗(yàn)分析

楊建峰，王鐵力，張一祁，周亞軍，楊 帆

(1.南通城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南通 226000；2.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；3.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

豎井貫流泵裝置因其具有流道順直，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和水力損失小等優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的超低揚(yáng)程貫流泵裝置形式[1]。豎井貫流泵站這一類(lèi)型最早被成功應(yīng)用于江蘇太湖流域的裴家圩泵站[2]，此后，這一類(lèi)型的泵站在全國(guó)各地廣泛應(yīng)用，尤其是東部發(fā)達(dá)地區(qū)，如江蘇、浙江、廣東先后建立了一批豎井式貫流泵站且運(yùn)行良好。

豎井貫流泵裝置作為一種常見(jiàn)的形式，部分學(xué)者已經(jīng)從不同角度開(kāi)展了相關(guān)的研究，并取得了相應(yīng)的研究成果。文獻(xiàn)[3-5]主要針對(duì)雙向豎井貫流泵裝置，采用CFD模擬等方式，對(duì)泵裝置內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[6-8]針對(duì)前置豎井貫流泵裝置內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析。文獻(xiàn)[9]提出了一種采用了虹吸式出水流道作為其出水流道的新型豎井貫流泵裝置。文獻(xiàn)[10-13]以工程為背景，開(kāi)展了豎井貫流泵裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化及內(nèi)流特性分析。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50265-2010)》的要求，為確保該類(lèi)型泵站高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行，高效地運(yùn)行并發(fā)揮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，需進(jìn)行泵裝置物理模型試驗(yàn)，當(dāng)前物理模型試驗(yàn)也是確定泵站高效安全穩(wěn)定運(yùn)行的常用方法之一[15,16]。

本文為通呂運(yùn)河水利樞紐工程貫流泵裝置模型試驗(yàn)，其結(jié)果僅適用于該工程，對(duì)其他采用工程貫流泵裝置的類(lèi)似工程有一定的參考作用。

1 工程概況

通呂運(yùn)河水利樞紐工程位于通呂運(yùn)河上游，距長(zhǎng)江口約2.2 km。工程建設(shè)的主要任務(wù)是在自流引江不能滿足區(qū)域用水需求時(shí)，利用泵站進(jìn)行引水，以滿足供水區(qū)域的用水需要[17]。

通呂運(yùn)河泵站設(shè)計(jì)引水流量100 m3/s，設(shè)置豎井式貫流泵機(jī)組3臺(tái)，采用塊基型泵房結(jié)構(gòu)，原型泵葉輪直徑為3 300 mm，轉(zhuǎn)速為110 r/min，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為33.3 m3/s，配套電機(jī)功率為1 600 kW，泵與電機(jī)采用齒輪箱連接。泵站最大總揚(yáng)程為3.70 m，設(shè)計(jì)總揚(yáng)程為1.98 m，最小總揚(yáng)程為0.25 m。

2 模型泵裝置實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容包括水泵在5個(gè)葉片安放角度(-4°、-2°、0°、+2°和+4°)下的水泵裝置能量特性試驗(yàn)、空化特性試驗(yàn)和飛逸特性試驗(yàn)。

試驗(yàn)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 3216-2016《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)》、SL140-2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》、JIS B8327-2013《利用模型泵測(cè)試泵性能的試驗(yàn)方法》等國(guó)內(nèi)外執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 試驗(yàn)要求

(1)能量性能試驗(yàn)：在無(wú)空化條件下進(jìn)行，泵裝置葉片調(diào)節(jié)角度范圍為-4°～+4°，葉片角度間隔不大于2°。每個(gè)葉片角度的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)不少于15點(diǎn)。所有能量試驗(yàn)均在無(wú)空化條件下進(jìn)行，能量特性試驗(yàn)的范圍應(yīng)涵蓋泵站運(yùn)行工況范圍。

(2)空化特性試驗(yàn)：依據(jù)SL140-2006有關(guān)規(guī)定，采用固定流量的能量法進(jìn)行水泵裝置模型的空化試驗(yàn)。臨界空化余量NPSHc以水泵葉輪中心為基準(zhǔn)，取水泵效率降低1%時(shí)的空化余量NPSH。進(jìn)行空化性能試驗(yàn)時(shí)，對(duì)每個(gè)葉片角度進(jìn)行不少于3個(gè)流量點(diǎn)的空化試驗(yàn)，并繪出泵裝置模型和原型的空化曲線，

(3)飛逸特性試驗(yàn)：對(duì)通呂運(yùn)河泵站水泵裝置進(jìn)行飛逸特性試驗(yàn)，利用輔助泵的反作用水頭沖擊水泵葉輪，測(cè)試水泵作為水輪機(jī)工況反轉(zhuǎn)甩負(fù)荷工況下的轉(zhuǎn)速和流量，每一葉片角度下的測(cè)試工況點(diǎn)不少于3個(gè)。計(jì)算水泵裝置的單位流量和單位轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行換算，得出換算后的原型水泵裝置數(shù)據(jù)。最后繪制原型水泵裝置的飛逸特性曲線。

2.3 水泵模型、水泵裝置模型及試驗(yàn)系統(tǒng)

2.3.1 水泵模型

通呂運(yùn)河泵站的水力模型為T(mén)J04-ZL-07水力模型，模型泵葉輪為青銅材質(zhì)制作，與南水北調(diào)工程試驗(yàn)相同。模型泵葉輪直徑為300 mm，輪轂直徑為110 mm，葉輪的葉片數(shù)為3，導(dǎo)葉數(shù)為6，輪轂比0.367。

2.3.2 水泵裝置模型

通呂運(yùn)河泵站模型水泵裝置包括豎井進(jìn)水流道、模型水泵和出水流道。為方便觀測(cè)水泵空化現(xiàn)象，分別在水泵葉輪室設(shè)置了兩個(gè)透明有機(jī)玻璃觀測(cè)窗。模型水泵裝置與原型保持幾何相似，進(jìn)出水流道用5 mm厚鋼板焊接，加工精度及尺寸允許偏差滿足招標(biāo)文件要求，不大于規(guī)范SL140-2006規(guī)定的允許偏差值。進(jìn)出水流道內(nèi)磨光噴聚氨酯漆，原型與模型流道滿足阻力相似，即：

式中：λλ、λD分別為沿程阻力系數(shù)比尺和幾何比尺。

模型試驗(yàn)裝置除模型水泵裝置外，還包括皮帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、測(cè)功扭矩儀、直流調(diào)速電機(jī)等。測(cè)功扭矩儀和皮帶輪傳動(dòng)裝置安裝在豎井中，調(diào)速直流電機(jī)通過(guò)三角皮帶傳遞動(dòng)力。模型水泵試驗(yàn)裝置軸系的設(shè)計(jì)滿足模型泵在額定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行要求，安裝在試驗(yàn)臺(tái)上的模型水泵裝置如圖1所示。

圖1 豎井貫流泵裝置物理模型

2.3.3 試驗(yàn)臺(tái)布置

試驗(yàn)臺(tái)為封閉循環(huán)系統(tǒng)，如圖2所示。包括水力循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)五部分組成。試驗(yàn)臺(tái)主要工作參數(shù)為：揚(yáng)程：-6～21 m；流量：0.0～0.5 m3/s；轉(zhuǎn)矩：0～500 N·m；轉(zhuǎn)速：0～1 500 r/min。

圖2 高精度泵站試驗(yàn)臺(tái)示意圖

2.4 試驗(yàn)方法

通呂運(yùn)河泵站裝置模型試驗(yàn)按歐拉準(zhǔn)則(即Eu=C)進(jìn)行，設(shè)計(jì)工況下的模型水泵裝置雷諾數(shù)Re>1×106。

通呂運(yùn)河泵站原型轉(zhuǎn)輪直徑為Dp=3 300 mm，模型泵轉(zhuǎn)輪直徑Dm=300 mm，故模型幾何比尺為：

λD=11.0

(1)

招標(biāo)文件中的原型水泵轉(zhuǎn)速為np=110 r/min，按照npDp=nmDm可算得模型水泵裝置試驗(yàn)的額定轉(zhuǎn)速：

(2)

試驗(yàn)中，通過(guò)直流電機(jī)的直流控制器將通呂運(yùn)河泵站的水泵裝置模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)速調(diào)至nm=1 210 r/min，水泵能量特性試驗(yàn)和空化試驗(yàn)中均保持此轉(zhuǎn)速不變。

根據(jù)相似理論，泵裝置動(dòng)力特性參數(shù)的比尺為：

揚(yáng)程：λH=λn2λD2=1

(3)

流量：λQ=λnλD3=121

(4)

功率：λP=λn3λD5=121

(5)

2.4.1 能量特性試驗(yàn)

水泵裝置的流量采用DN400高精度電磁流量計(jì)測(cè)量。如圖3所示，在進(jìn)水箱1-1位置為水泵裝置進(jìn)口測(cè)壓斷面，出水箱2-2位置為出口測(cè)壓斷面。計(jì)算式參照參考文獻(xiàn)[19]，凈揚(yáng)程H為：

圖3 測(cè)壓斷面示意圖

(6)

按照試驗(yàn)規(guī)程，測(cè)量模型泵裝置的軸轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)采用測(cè)功扭矩儀測(cè)量，在計(jì)算時(shí)扣除空載轉(zhuǎn)矩。功率由下式計(jì)算：

(7)

式中：Pm為軸功率，kW；nm為轉(zhuǎn)速，r/min；Mm為水泵軸輸入軸轉(zhuǎn)矩，N·m；M0m為水泵軸空載轉(zhuǎn)矩，N·m。計(jì)算式參照參考文獻(xiàn)[12]，水泵裝置效率試驗(yàn)值按下式計(jì)算：

(8)

2.4.2 空化特性試驗(yàn)

空化特性試驗(yàn)計(jì)算式參照參考文獻(xiàn)[12]由下式計(jì)算：

(9)

2.4.3 飛逸特性試驗(yàn)

水泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速是指水泵在水輪機(jī)工況運(yùn)行狀態(tài)，且輸出力矩近似為零時(shí)的轉(zhuǎn)速。計(jì)算式參照參考文獻(xiàn)[18]，由下式算得：

(10)

(11)

3 模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 能量特性試驗(yàn)

模型試驗(yàn)測(cè)試了水泵葉片5個(gè)不同的角度(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)下的水泵裝置能量特性。在同一轉(zhuǎn)速，相同工況下，揚(yáng)程隨著葉片安放角度的增加而逐漸加大各角度最優(yōu)工況參數(shù)如表1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理，模型(D=300 mm，n=1 210 r/min)泵裝置綜合特性曲線見(jiàn)圖4。

圖4 通呂河泵站模型泵裝置綜合特性曲線

表1 通呂河泵站模型泵裝置性能試驗(yàn)最優(yōu)效率數(shù)據(jù)表

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在測(cè)試的葉片安放角度范圍內(nèi)，泵裝置的最高效率達(dá)到79.03%，此時(shí)泵裝置揚(yáng)程為3.30 m，裝置內(nèi)的流量為222.91 L/s，葉片安放角度為-4°。水泵轉(zhuǎn)速104.1r/min，葉片安放角度0°下，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.98 m時(shí)的流量為34.72 m3/s、效率為73.35%。在葉片安放角度-4°、-2°、0°、+2°和+4°時(shí)豎井軸流泵裝置的最高效率分別為79.03%、78.94%、77.66%、76.83%和74.85%。

3.2 空化特性試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)通呂運(yùn)河泵站模型水泵裝置進(jìn)行了5個(gè)葉片角度(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)下的水泵裝置空化特性模型試驗(yàn)。圖5為模型(D=300 mm，n=1 210 r/min)水泵裝置空化特性曲線。

圖5 模型水泵裝置空化特性曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，在5個(gè)葉片安放角度下模型泵裝置的臨界空化余量均小于8.5 m；在葉片角度0°下，設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.98 m時(shí)，臨界空化余量約為4.05 m；最大揚(yáng)程3.70 m時(shí)，臨界空化余量約為6.29 m。泵裝置的臨界空化余量均隨著流量的增大，先減小后增大。

3.3 飛逸特性試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)研究測(cè)試了通呂運(yùn)河泵站水泵裝置5個(gè)葉片角度(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)下的飛逸特性，需要注意的是，測(cè)定水泵飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件不包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子。各葉片角度下的單位飛逸轉(zhuǎn)速如表2，按公式計(jì)算得到各角度下原模型泵飛逸轉(zhuǎn)速如表3。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理可得通呂河泵站原型水泵原型水泵飛逸轉(zhuǎn)速特性曲線如圖6所示。

圖6 原型水泵飛逸轉(zhuǎn)速特性曲線

表2 各葉片安放角下的單位飛逸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)

表3 各葉片安放角下原模型泵飛逸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)表(最高凈揚(yáng)程3.7 m)

試驗(yàn)結(jié)果表明：飛逸轉(zhuǎn)速隨揚(yáng)程的增加而增加；泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度增大而減小。在葉片角度為+4°，最高凈揚(yáng)程為3.70 m時(shí)，最小飛逸轉(zhuǎn)速為207.10 r/min，為額定轉(zhuǎn)速1.99倍；在葉片角度為-4°，最高凈揚(yáng)程為3.70 m時(shí)，最大飛逸轉(zhuǎn)速為224.59 r/min，為額定轉(zhuǎn)速2.15倍。

4 結(jié) 論

(1)運(yùn)行揚(yáng)程(0～3.5 m)范圍內(nèi)，各葉片安放角時(shí)豎井貫流泵裝置均能運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)明顯不良噪音和振動(dòng)。水泵轉(zhuǎn)速110 r/min，葉片安放角度0°下，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.98 m時(shí)的流量為34.72 m3/s、效率為73.35%。

(3)豎井貫流泵裝置空化余量曲線呈現(xiàn)具有極小值開(kāi)口向上的曲線。正角度、大流量工況的空化余量相對(duì)較大，但在泵站運(yùn)行揚(yáng)程范圍內(nèi)空化性能良好。在葉片角度0°下，設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.98 m時(shí)，臨界空化余量約為4.05 m；最大揚(yáng)程3.70 m時(shí)，臨界空化余量約為6.29 m，均滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)豎井貫流泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度減小而增大。最大揚(yáng)程3.70 m，在葉片安放角度0°時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速為水泵機(jī)組額定轉(zhuǎn)速的2.13倍，達(dá)到了222.0 r/min；在葉片角度為-4°時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速2.15倍，為224.59 r/min。

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