CFD水泵模型試驗在漳湖站工程中的應用

徐衛星

（望江縣水利局，安徽 安慶 246200）

1 引言

水泵是泵站工程的重要組成部分，其性能對泵站樞紐工程效益影響較大[1-3]。因此，為了選取適宜的水泵型式，提前進行分析是非常必要的。目前，在水泵性能研究中通常采用數值模擬與物理模型試驗方法，兩種方法均可準確分析水泵的各項性能，在工程實踐中有廣泛的使用[4-6]。本文結合漳湖新站樞紐工程實際情況，采用模型試驗方法對水泵性能進行分析。

2 工程概況

漳湖新站樞紐工程由引水渠道、進水控制閘、前池及進水池、泵房、壓力水箱、出水箱涵、出水控制閘及場區內外交通工程等輔助工程組成。泵站為堤后常規干室型泵站，正向進出水布置。泵房前接前池及進水池，出水管后接壓力水箱。機組一字型排列。抽排和自排通道在壓力匯水箱末端匯集于一起，并通過出水箱涵與長江連通。前池及進水池為正向進水開敞式布置。

漳湖泵站位于長江下游北岸漳湖圩排水區，排湖工況設計流量為105 m3/s，排圩工況設計流量為91.5 m3/s，共安裝6臺立式全調節混流泵，總裝機容量6×2 300 kW。泵站安裝立式全調節混流泵6臺，葉輪直徑2 200 mm、額定轉速為200 r/min。排湖工況設計凈揚程5.72 m，排圩工況設計凈揚程7.87 m。泵站參數如表1所示。

表1 漳湖泵站參數表

3 模型水泵與泵裝置

漳湖泵站為立式混流泵裝置，肘型流道進水、平直管出水。模型泵采用TJ11-HL-04水泵水力模型，模型泵葉輪直徑D=320 mm，水泵裝置模型比尺為1∶6.875。模型葉輪葉片數為3，用鑄銅材料數控加工成型。模型導葉葉片數為7，導葉片采用鋼板數控加工成型，導葉體外殼采用鋼板焊接而成[7]。進出水流道采用鋼板焊接制作，模型泵裝置如圖1所示。

圖1 漳湖泵站水泵裝置模型

4 泵裝置模型試驗結果

4.1 能量性能試驗

水泵裝置模型試驗測試了6個葉片安放角度（-8°、-6°、-4°、-2°、0°及+2°）的能量性能。各角度最優工況參數如表2所示。漳湖泵站水泵裝置模型綜合特性曲線見圖2（轉速為1 375 r/min，葉輪直徑為320 mm）。按特征參數換算公式換算，漳湖泵站原型泵裝置綜合特性曲線見圖3（轉速為200 r/min，葉輪直徑為2 200 mm）。

圖3 漳湖泵站原型水泵裝置綜合特性曲線

表2 模型水泵裝置性能試驗最優效率數據表

表3 -8°空化試驗采樣數據表

試驗結果表明：葉片角度在-2.6°，泵裝置在設計總揚程6.94 m（含出水箱涵水力損失CFD預測值約為1.22 m），抽水流量為設計流量389 L/s時，水泵模型裝置效率為81%，滿足技術要求的72%；泵裝置在設計總揚程8.84 m（含出水箱涵水力損失CFD預測值約為0.97 m），抽水流量為設計流量339 L/s時，水泵模型裝置效率為85.3%，滿足技術要求的72%。

4.2 空化試驗

空化試驗采用定流量的能量法，圖4為葉片角度-4°，5個流量工況點下空化圖，其中虛線框線內為汽蝕發生時氣泡發生情況。

圖4 5個流量工況點下空化圖（-4°）

葉片安放角-2°時，各揚程工況下臨界空化余量均在10.0 m以內；其中11.22 m揚程時臨界空化余量為9.2 m，9.97 m揚程時臨界空化余量為8.6 m，7.87 m揚程時臨界空化余量為6.7 m，5.72 m揚程時臨界空化余量為7.2 m，2.8 m揚程時臨界空化余量為8.8 m。

4.3 飛逸特性試驗

水泵各葉片安放角下的單位飛逸轉速如表4和表5。根據試驗結果整理可得泵站原型泵飛逸特性曲線，如圖5所示。

圖5 漳湖泵站原型泵裝置飛逸特性曲線

表4 各葉片安放角下的單位飛逸轉速數據表

表5 各葉片安放角下原型泵飛逸轉速數據表（最大揚程11.22 m時）

根據試驗結果可知：水泵葉片的安放角越小，單位飛逸轉速越高；當水泵葉片角度在-2°時，原型泵在最高凈揚程11.22 m下的最大飛逸轉速為電機額定轉速的1.79倍。

4.4 水壓脈動試驗

水壓脈動測試采用4個CY301高頻動態壓力脈動變送器測量,配用RS485-20采集儀數據采集。

壓力脈動傳感器安裝在出水流道工作閘門處（P1）、導葉出口處（P2）、葉輪出口處（P3）及葉輪進口（P4），位置如圖6所示。

圖6 壓力脈動傳感器安裝位置

分別對水泵模型葉輪葉片6個葉片安放角度（-8°、-6°、-4°、-2°、0°及+2°）能量試驗過程中的4個工況點（包括最低揚程，排湖（洪）設計揚程，排圩/排湖+排圩設計揚程及最高揚程）水壓脈動進行了測試，為更易觀察壓力脈動波動情況，在系統補滿水時采集零點，并扣除初始水壓力，試驗實際轉速為1 375 r/min。

結果表明，在所測揚程范圍內，出水流道工作閘門處（P1）、導葉出口處（P2）、葉輪出口處（P3）及葉輪進口（P4）峰峰值在對應揚程下最大相對幅值為17%、17%、9%、10%，葉輪進出口處脈動幅值隨揚程增加而增加，呈周期性波動。葉輪出口處主頻相對穩定，為1倍葉頻，其余位置主頻主要為低頻位置，對應振幅較小。總體符合常規混流泵水壓脈動規律，無異常現象。

5 結論

（1）能量試驗結果表明，葉片角度在-2.6°，泵裝置在設計總揚程6.94 m（含出水箱涵水力損失CFD預測值約為1.22 m），抽水流量為設計流量389 L/s時，水泵模型裝置效率為81%，滿足技術要求的72%；泵裝置在設計總揚程8.84 m（含出水箱涵水力損失CFD預測值約為0.97 m），抽水流量為設計流量339 L/s時，水泵模型裝置效率為85.3%，滿足技術要求的72%。

（2）空化試驗結果表明，原型泵裝置在葉片安放角-2°時，各揚程工況下臨界空化余量均在10.0 m以內；其中11.22 m揚程時臨界空化余量為9.2 m，9.97 m揚程時臨界空化余量為8.6 m，7.87 m揚程時臨界空化余量為6.7 m，5.72 m揚程時臨界空化余量為7.2 m，2.8 m揚程時臨界空化余量為8.8 m。

（3）葉片安放角越小，單位飛逸轉速越高；在所有葉片角度和流量下，進水流道內流態穩定，無明顯漩渦產生，水泵運行平穩。