引黃灌區含沙水流對離心泵性能影響試驗

呂 艷，張 靖，張慶華

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，山東 濟南 250014；2.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

0 引 言

工程實踐和相關試驗證明，泥沙除了對水泵的過流部件有磨蝕破壞外，還對水泵的流量、揚程、水泵的效率和水泵的軸功率、水泵的氣蝕余量有明顯的影響。目前我國以及國外生產的各種水泵一般按清水設計，所提供的水泵性能、參數都是清水條件下的數據，未考慮水中泥沙的影響。因此，在引黃灌區中當含沙量較大時，仍沿用清水泵的參數進行工程設計是不合理的。

關于泥沙對水泵性能參數的影響，清華大學水機教研組(1988)、天津勘測設計院水機磨蝕試驗所(1992)等單位，選用天然黃河沙作為試驗介質進行了室內試驗。前者的泥沙中值粒徑d50=0.058 mm，對10SH-19、6SH- 6、250S-14、6SH-9幾種泵進行了不同含沙濃度下水泵性能試驗。后者試驗水泵為10SH-13、6SH-9和4PW單吸水泵，含沙量分別為0、5、20、60、100、150、200、300 kg/m3。國內外專家學者也開展了相應的研究工作。Burgess等[1]通過水泵輸送固液兩相流的試驗觀察到，與清水相比水泵揚程的減少程度比效率減少程度大；Sellgren[2]研究發現，水泵揚程的下降與水流中的固體密度、比重、阻力系數有關；Chand[3]等研究發現，水流加入固體顆粒后，水泵的揚程和效率升高；張鐵華[4]研究了渾水水泵試驗的測量誤差分析，提出了渾水水泵試驗的測量誤差分析方法及相應的計算公式；陳漣等[5]選用d50=0.032、0.091 mm兩種中數粒徑的黃河泥沙，含沙量分別為7、26 kgm3進行試驗，分析了粒徑和含沙量對水泵性能的影響；李桂蘭[6]以清華大學為蘭州院作的黃河泥沙對水泵性能影響的試驗成果，分析了含沙水流對運行中水泵的揚程、流量、效率、吸上真空度及軸功率等參數的影響；路金喜等[7]通過介紹模擬試驗及典型泵站實際檢測的大量數據，分析了泥沙對水泵流量、吸上真空度、軸功率等的性能參數影響規律，探討了泥沙對水泵性能影響的機理；陸勇等[8]利用西北農學院試驗資料，給出了水泵性能參數與含沙量的關系，但該公式所用數據少，公式的適用性一般。楊元月等[9]結合南水北調工程介紹了水泵效率的主要影響因素及提高措施。蘇佳慧等[10]采用歐拉-拉格朗日多相流模型，對雙吸式離心泵抽送含沙水流的工況進行數值模擬，研究壁面粗糙度對泵水力性能以及葉片磨損狀況的影響；王志遠[11]研究了泥沙濃度和泥沙粒徑對雙吸式離心泵性能特性、離心泵靜壓力及壓力脈動的影響，并揭示了其影響機理。趙萬勇等[12]使用FLUENT軟件模擬出清水與含沙水條件下離心泵不同工況下運行時回流區產生的位置，進而討論葉片被破壞的主要原因。張彩鳳等[13]使用ANSYS軟件對雙吸離心泵進行了空泡出現位置以及空化現象的模擬，研究發現揚程下降與尾渦形態密切關系。趙偉國等人[14-16]采用了3種粒徑進行空化的模擬，結果發現含沙量固定時，粒徑增大，空化先強烈后減弱；在粒徑不變時，含沙量增多，空化先強烈后減弱。共同考慮磨蝕與空蝕作用下，渾水下水泵揚程均低于清水揚程，且隨著粒徑增加與含沙量的增加，揚程逐漸減小。在進一步的研究中，作者使用沙粒體積分數作為變量，發現隨著體積分數增加，沙粒在離心泵內的運動更加紊亂，效率和揚程隨之降低。此外，含沙水流具有低頻率、高振幅的特點，含沙量濃度對脈動頻率、壓力、湍動能分布、峰值振幅等都有影響。Serrano等[17]通過在巴西Acre河進行野外測試，估算了渾水引發的葉片磨損量以及何如通過控制轉速減少磨損程度。Dong等[18]對喜馬拉雅河中含沙水流(粉土為主)對離心泵的侵蝕問題進行了研究，發現粉土的大小影響侵蝕位置和侵蝕強度，而粉土濃度對研究范圍內的侵蝕強度影響較大。此外，可以通過增加仿生凸觸引導水流旋動，改變葉片表面水的速度，進而降低泥沙撞擊葉片的影響。閆振峰等[19]對西霞院水庫清淤中使用泥漿泵的排沙問題進行研究，研究表明隨著流量的增加，所測的含沙量平均值隨之增大，而含沙量的最大值呈現先增后減的變化態勢。Shen等[20]通過模擬發現，較大顆粒的運動軌跡更加均勻，容易造成更嚴重的沖蝕磨損損壞。含沙水流的泥沙顆粒尺寸增大到一定程度后，磨損損傷發展緩慢，侵蝕速率隨含沙量的增加而增大。

本文以黃河下游灌區泥沙為試驗介質，以上海凱泉泵業(集團)有限公司生產的KQW為試驗水泵，通過不同泥沙粒徑、不同泥沙含量水泵的性能參數室內試驗，分析泥沙對水泵性能的影響，為引黃灌區工程設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗在山東農業大學水利實驗室進行。參照GB/T 18149—2017《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗規范 精密級》及其他水泵試驗，結合項目試驗任務，本項目試驗裝置如圖1所示。

圖1中，水泵6通過吸水管2從進水池1吸水加壓后提升至出水池12，再經回水管3回到進水池中，從而形成閉路循環，使流量相對穩定；水泵流量由閘閥8控制，并通過流量計9測量；水泵進出口壓力由壓力表5、7測量；為確保試驗水中泥沙均勻，在進水池中安裝有攪拌機4；水泵的輸入功率使用電參數測試儀表測量。

1.2 試驗水泵

根據調查，山東省引黃灌區內從渠道提水的水泵大多采用上海凱泉泵業(集團)有限公司生產的KQW或KQS型離心泵。結合實驗室條件，本試驗選用該公司生產的65KQW25-20-2.2/2離心泵。

1.3 試驗泥沙

試驗選擇小開河灌區沉沙池首部及中部、孫集3個位置的泥沙為本試驗泥沙，泥沙的中數粒徑d50分別為0.096 3、0.041 3、0.057 1 mm，密度分別為2 650、2 600、2 500 kg/m3。

1.4 試驗方法

1.4.1 試驗方案

本試驗主要測試不同泥沙粒徑、泥沙含量對離心泵性能的影響，試驗要素主要為泥沙粒徑和泥沙含量。為此，擬定試驗方案如表1所示。表1中含沙量0為清水比較方案。

表1 水泵性能試驗方案

1.4.2 試驗測量

試驗主要測量流量、水泵進、出口壓力、電機輸入功率、水泵轉速、水溫及含沙量等?？紤]到數據的不穩定性，電磁流量計流量以3次讀數的平均值作為測量值；真空表、壓力表均以7次數據的平均值作為測量數據；水泵電機為三相電機，電源經過穩壓器后三相輸入。本試驗利用3塊電參數表測量電動機的三相輸入功率，三相功率之和為電機輸入功率，三相輸入功率取7次讀數的平均值作為測量值；含沙量采用烘干法測試，取樣位置在水泵回水管出水口，每個含沙量取3個水樣平均值作為含沙量值。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果整理

2.1.1 實測揚程

離心泵實測揚程按下式計算

(1)

式中，Hc為離心泵實測揚程，m；P為水泵進口真空表壓力(換算為水柱高度)，m；M為水泵出口壓力(換算為水柱高度)，m；Z為真空表與壓力表高差，m；V1、V2分別為水泵進、出口流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

2.1.2 水泵軸功率

電參數測試儀測量的為電機輸入功率，水泵的軸功率(即電機的輸出功率)可利用電參數測試儀測量的三相輸入功率，根據水泵配套電機的輸入輸出功率關系(廠家提供本試驗水泵電動機性能參數)進行換算。

2.1.3 水泵效率

水泵有效功率及效率按以下公式計算

(2)

(3)

式中，Pu為有效功率，kW；ρs為渾水密度，kg/m3；Qo為換算為額定轉速后的流量，m3/s；Ho為換算為額定轉速后的揚程，m；P0為換算為額定轉速后的軸功率，kW；η為水泵效率，%。

2.1.4 試驗數據換算

水泵性能曲線是在一定(額定)轉速條件下，實際測定的水泵其他性能參數與流量之間的關系曲線。由于不同流量下水泵轉速與額定轉速不同，因此，需要對實測的流量、揚程及功率等利用比例律進行換算。

本試驗得到了清水12組流量，3個沙樣，每個沙樣5個含沙量、每個含沙量10組流量的揚程、軸功率及效率等數據。進而得到了試驗水泵的Q～H、Q～P、Q～η等性能曲線。

2.2 含沙量對揚程的影響分析

為了反映含沙量對揚程的影響，根據試驗得到的離心泵揚程與含沙量關系，求得3個粒徑沙樣不同含沙量流量對應的揚程，用下式計算某種沙樣不同含沙量、流量情況下與清水比較的揚程變化率

(4)

式中，αij為含沙量i與清水相比相同流量j的揚程變化率，%；Hij為含沙量i流量j對應的揚程，m；H0j為清水流量j對應的揚程，m。

由式(4)得到離心泵3個沙樣不同含沙量情況下揚程變化率見圖2、3。

由圖2、3可知，本試驗流量及含沙量范圍內3個沙樣的平均揚程減少率為-2.09%，范圍為-0.51%～6.18%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均揚程減少率分別為-1.37%、-2.65%、-2.24%；清水額定流量(為28 m3/h)情況下平均揚程減少率分別為-1.31%、-2.67%、-2.31%，平均為-2.10%。

由圖2、3看到，3個粒徑不同含沙量揚程減少率(除d50=0.096 3 mm含沙量7.407 kg/m3外)及平均揚程減少率，隨流量的變化規律為上凸的拋物線，隨著流量的增加，減少率由大到小再增大，基本上是以流量20 m3/s為界，小于該流量時，減少率隨流量的增加而減少，大于該流量時隨流量的增加而增加。流量20 m3/s揚程減少率最低，該流量為清水水泵額定流量的71.4%。

2.3 泥沙對軸功率的影響分析

根據試驗得到的離心泵軸功率與含沙量關系，求得3個沙樣不同含沙量流量對應的軸功率，參照式(4)計算某種沙樣不同含沙量、軸功率情況下與清水比較的軸功率變化率，結果見圖4、5。

由圖4、5得到，本試驗流量范圍內3個沙樣的平均軸功率增加率為1.69%，范圍為0.03%～3.52%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均軸功率增加率分別為1.29%、1.72%、2.03%；清水額定流量情況下平均軸功率增加率分別為0.74%、1.70%、1.61%，平均為1.35%。

由圖4看到，3個粒徑不同含沙量軸功率增加率(除d50=0.057 1 mm含沙量1.333 kg/m3外)及平均軸功率增加率，隨著流量的增加而減少，即流量越少軸功率增加率越大。由圖5看到，不同粒徑的軸功率增加率在大多情況下，粒徑大的沙樣大于粒徑小的沙樣。

2.4 泥沙對效率的影響

根據試驗得到的離心泵效率與含沙量關系，求得3個沙樣不同含沙量流量對應的效率，參照式(4)計算某種沙樣不同含沙量、效率情況下與清水比較的效率變化率，結果見圖6、7。

由圖6、7得到，本試驗流量范圍內3個沙樣的平均效率減少率為-3.66%，范圍為-0.3%～-7.18%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均效率減少率分別為-2.68%、-4.56%、-3.73%；清水額定流量情況下平均效率減少率分別為-3.14%、-5.37%、-4.61%，平均為-4.37%。

圖4 不同含沙量軸功率增加率

圖5 不同泥沙粒徑軸功率平均增加率

圖6 不同含沙量效率減少率

圖7 不同泥沙粒徑效率平均減少率

圖8 不同含沙量流量減少率

圖9 不同泥沙粒徑流量平均減少率

由圖6、7看到，3個粒徑不同含沙量效率減少率隨流量的變化而變化，粒徑d50=0.043 1 mm的變化趨勢為呈拋物線，在流量為25 m3/h達到最大值，而d50=0.057 1mm則與流量呈直線關系，d50=0.096 3 mm二者都有。由此看到，不同粒徑、不同含沙量對效率的影響比較復雜。

2.5 泥沙對流量的影響

根據試驗得到的離心泵效率與含沙量關系，求得3個沙樣不同含沙量揚程對應的流量，參照式(4)計算某種沙樣不同含沙量、揚程情況下與清水比較的流量變化率，結果見圖8、9。

由圖8、9得到，本試驗流量范圍內3個沙樣的平均流量減少率為-7.12%，范圍為-0.56%～-21.32%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均流量減少率分別為-5.78%、-8.02%、-7.57%；清水額定揚程(21.5 m)情況下平均流量減少率分別為-5.7%、-7.91%、-7.47%，平均為-7.03%。上述數值看到，含沙量對流量的影響較大。

由圖8、9看到，3個粒徑不同含沙量流量減少率隨揚程的變化而變化，呈拋物線關系，在揚程為20 m達到最小值。

3 結 語

從上述分析可以看到，含沙水流中的泥沙會影響到離心泵的性能。與清水相比，泥沙使得水泵相同揚程下的流量減少；相同流量下水泵的揚程降低，軸功率增大，效率降低。在本試驗條件下得到以下結論：

(1)平均揚程減少率為-2.09%，范圍為-0.51%～6.18%，清水額定流量情況下揚程減少率平均為-2.10%，范圍為-1.31%～-2.67%。

(2)平均軸功率增加率為1.69%，范圍為0.03%～3.52%，清水額定流量情況下軸功率增加率平均為1.35%。范圍為0.74%～1.70%。

(3)平均效率減少率為-3.66%，范圍為-0.3%～-7.18%，清水額定流量情況下效率減少率平均為-4.37%，范圍為-3.14%～-5.37%。

(4)平均流量減少率為-7.12%，范圍為-0.56%～-21.32%，清水額定揚程情況下流量減少率平均為-7.03%，范圍為-5.7%～-7.91%。

上述數值看到，含沙量對流量的影響最大，其次為效率，第三為揚程，最后為軸功率。上述成果可供引黃灌區設計中水泵選型參考。