黃家壩30°斜式軸流泵裝置模型試驗(yàn)研究

劉潤(rùn)根，馬曉忠，詹 磊

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南昌 330029 ；2. 江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤 223100；3. 南昌市昌南城市防洪管理處，南昌 330039)

1 概 述

黃家壩泵站位于江西省吉安市泰和縣，是贛江石虎塘航電樞紐工程防護(hù)區(qū)的骨干排澇泵站。泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程2.18 m，最低凈揚(yáng)程0 m，最高凈揚(yáng)程3.01 m，設(shè)計(jì)流量38.4 m3/s。泵站裝設(shè)3臺(tái)1800ZXB12.8-3型30°斜式軸流泵機(jī)組，配TXZ560-24/1730 560 kW同步電機(jī)，水泵葉輪直徑為1.68 m，水泵轉(zhuǎn)速250 r/min。泵站采用一列式布置，肘形進(jìn)水流道，直管式出水流道。其中肘形進(jìn)水流道入口寬度4.4 m，高度3.1 m，流道出口為DN1 800 mm的圓截面。出水管則是采用DN1 800 mm等直徑圓管，后漸變?yōu)? 000 mm×3 000 mm涵洞穿過(guò)大堤，涵洞出口設(shè)置拍門斷流。泵站縱剖面如圖1所示。

圖1 泵站縱剖面

2 模型泵裝置試驗(yàn)

2.1 模型設(shè)計(jì)

黃家壩水泵葉輪直徑Dp=1.68 m，模型水泵葉輪直徑Dm=300 mm，則幾何比尺λD=Dp/Dm=5.6。按照幾何相似和阻力相似，用鋼板焊接制作模型進(jìn)水流道和出水流道，并在模型進(jìn)水流道側(cè)壁開設(shè)流態(tài)觀測(cè)窗，模型泵裝置見圖2。水泵模型選用的是ZM3.0-Y991。模型試驗(yàn)準(zhǔn)則為歐拉相似準(zhǔn)則(Eu=idem)，即要求原型與模型nD相等，據(jù)此可得模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)速nm=(npDp)/Dm=1 400 r/min，其中原型泵轉(zhuǎn)速np=250 r/min。

圖2 模型泵裝置

2.2 模型試驗(yàn)系統(tǒng)

黃家壩模型試驗(yàn)是在江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的水力機(jī)械泵站試驗(yàn)臺(tái)采用封閉立式循環(huán)系統(tǒng)，試驗(yàn)臺(tái)由水力循環(huán)系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、動(dòng)力及輔助系統(tǒng)組成。試驗(yàn)臺(tái)封閉循環(huán)系統(tǒng)總長(zhǎng)60.0 m，管道直徑為0.5 m和0.4 m，系統(tǒng)水體容積為50 m3，蓄水池容積120 m3，回水池容積80 m3。試驗(yàn)臺(tái)主要工作參數(shù)：揚(yáng)程-6～21 m，流量0.1～0.5 m3/s，轉(zhuǎn)矩0～500 N·m，轉(zhuǎn)速：0～2 000 r/min。試驗(yàn)臺(tái)可開展水泵及水泵裝置能量特性、空化性能、飛逸特性試驗(yàn)，水力機(jī)械水流脈動(dòng)；水輪機(jī)工況試驗(yàn)；水泵或水泵裝置過(guò)渡特性、內(nèi)特性試驗(yàn)。

1-動(dòng)力機(jī)；2-真空箱；3-壓力箱；4-分叉水箱；5-稱重傳感器；6-原位標(biāo)定裝置；7-調(diào)節(jié)閥；8-穩(wěn)壓整流筒；9-電磁流量計(jì)；10-控制閘閥；11-輔助泵機(jī)組；12-扭矩儀；13-試驗(yàn)水泵段；14-進(jìn)水流道；15-出水流道圖3 模型泵裝置試驗(yàn)系統(tǒng)

泵或泵裝置綜合系統(tǒng)誤差小于±0.39%，高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/DIS5198)、GB3216-2005國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)精度和SL140-2006水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)精度，符合招標(biāo)技術(shù)文件要求。

2.3 測(cè)試方法

(1)流量Q。采用開封儀表廠制造的MF型(DN400)電磁流量計(jì)測(cè)量(檢定精度±0.17%)。測(cè)試中，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3216-2005和水利部行業(yè)規(guī)程SL 140-2006規(guī)定，從大流量到小流量依次測(cè)試15個(gè)以上的不同流量點(diǎn)。

(2)泵裝置揚(yáng)程Hsy。裝置揚(yáng)程的進(jìn)口測(cè)壓斷面設(shè)置在真空箱，出口測(cè)壓斷面設(shè)在壓力水箱，裝置揚(yáng)程Hsy等于進(jìn)口測(cè)壓斷面和出口測(cè)壓斷面的總能頭差(即相應(yīng)于原型泵站的上下游水位差)，由EJA110A差壓變送器測(cè)得。

(3)軸功率P、轉(zhuǎn)速n。采用ZJ-200測(cè)功扭矩儀，檢定精度0.2級(jí)，出廠檢定線性度及重復(fù)性均不大于±0.1%。采用變頻器調(diào)節(jié)模型水泵試驗(yàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)等揚(yáng)程相似律(即nD=idem)，模型水泵試驗(yàn)轉(zhuǎn)速確定為1 400 r/min。精度0.05%。

(4)模型泵裝置效率ηm。模型泵裝置機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩主要由軸承與軸封摩擦損失等造成，在機(jī)組無(wú)水運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)出。每次調(diào)整葉片安放角度后先測(cè)試空載轉(zhuǎn)矩，再充水進(jìn)行性能試驗(yàn)。本文所指的模型泵裝置效率為扣除機(jī)械損失后的數(shù)值，由下式計(jì)算：

(1)

式中：Qm為模型流量，m3/s；Hsym為模型泵裝置揚(yáng)程，m；Pm為模型泵輸入軸功率，W；P0為空載功率，W。

(5)空化余量測(cè)量NPSH。空化試驗(yàn)保持流量不變，由真空泵抽真空，減低封閉循環(huán)系統(tǒng)壓力，使泵內(nèi)發(fā)生空化。不同系統(tǒng)壓力下的空化余量值由下式計(jì)算：

(2)

式中：NPSHav為空化余量，m；pav為裝置進(jìn)口測(cè)壓點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng)，由絕對(duì)壓力變送器測(cè)得，Pa；pv為試驗(yàn)水溫下水的飽和蒸汽壓強(qiáng)，Pa；h為絕對(duì)壓力變送器高于泵葉片旋轉(zhuǎn)中心線與葉輪外殼交點(diǎn)的高度值，m。

(6)飛逸轉(zhuǎn)速測(cè)量。飛逸試驗(yàn)水頭由輔助泵提供，脫開扭矩儀與電機(jī)之間的聯(lián)軸器，調(diào)整輔助泵的轉(zhuǎn)速，測(cè)得不同水頭下模型泵裝置反轉(zhuǎn)且輸出力矩為零時(shí)的轉(zhuǎn)速和流量。飛逸特性可用單位飛逸轉(zhuǎn)速和單位飛逸流量表示，按下式計(jì)算：

(4)

式中：n′1為單位飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；Q′1為單位飛逸流量，m3/s；D為葉輪直徑，m；H為上下游總水頭差，m。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)力特性試驗(yàn)

測(cè)試黃家壩模型泵裝置5個(gè)不同葉片角度(±4°，±2°，0°)下的動(dòng)力特性，各個(gè)葉片角下的測(cè)量工況點(diǎn)為22個(gè)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)各工況點(diǎn)采樣10次并作幾何平均，以便消除水流脈動(dòng)的影響。整理試驗(yàn)結(jié)果得到的模型泵裝置綜合特性曲線見圖4，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3216-2005進(jìn)行換算得到的原型泵裝置動(dòng)力特性曲線見圖5。

圖4 模型泵裝置能量特性曲線圖

圖5 原型泵裝置能量特性曲線

由模型試驗(yàn)結(jié)果可看出，5種葉片角度下的流量-揚(yáng)程、流量-功率曲線符合軸流泵裝置特性規(guī)律，即同一角度下?lián)P程、軸功率隨流量減少而增大，泵裝置最高效率隨葉片角度減小而增大。泵裝置高效區(qū)范圍較寬，效率較高；5種葉片角度+4°、+2°、0°、-2°和-4°的泵裝置最高效率分別達(dá)到77.91%、79.82%、80.84%、82.19%、83.0%。在葉片0°時(shí)，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.18 m的流量為12.01 m3/s、效率69.78%，但最大揚(yáng)程3.02 m的流量為11.21 m3/s、效率78.17%。

3.2 空化性能試驗(yàn)

按照空化相似準(zhǔn)則確定空化試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，即空化余量原型與模型相等。試驗(yàn)測(cè)試了3個(gè)不同葉片角度(±2°，0°)的模型泵裝置空化特性。根據(jù)SL140-2006規(guī)范要求，取泵裝置效率下降1%作為臨界空化余量[NPSH]c，空化試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表7 原型泵裝置空化特性

試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)泵站運(yùn)行工況的較大范圍內(nèi)， 3個(gè)葉片角度下的空化余量均小于10 m，只是在葉片+2°大流量時(shí)的空化性能較差。

3.3 飛逸特性試驗(yàn)

模型泵裝置飛逸特性試驗(yàn)是在脫開動(dòng)力機(jī)，由試驗(yàn)系統(tǒng)中的輔助水泵給模型泵機(jī)組提供反轉(zhuǎn)作用水頭，測(cè)試在不同反轉(zhuǎn)飛逸工況下的反作用水頭H、倒流流量Q以及轉(zhuǎn)速n，由式(3)和式(4)計(jì)算單位轉(zhuǎn)速n′1和單位流量Q′1，并按照各工況點(diǎn)的單位轉(zhuǎn)速n′1和單位流量Q′1的平均值換算。試驗(yàn)測(cè)試黃家壩泵站葉片-4°下飛逸特性，如圖6和圖7所示，平均后的單位轉(zhuǎn)速和單位流量分別為n′1=310、Q′1=3.12。研究結(jié)果表明，泵站在最大揚(yáng)程3.02 m時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速n=320.7 r/min為水泵機(jī)組額定轉(zhuǎn)速的1.28倍，小于1.5倍的額定轉(zhuǎn)速，屬于安全范圍以內(nèi)。

圖6 模型飛逸特性曲線

圖7 原型飛逸特性曲線

4 結(jié) 論

對(duì)黃家壩30°斜式軸流泵裝置的模型泵裝置試驗(yàn)結(jié)果分析，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)5個(gè)葉片角度下模型泵裝置最高效率在79%～83%之間，30°斜式軸流泵裝置效率較高，斜式泵裝置較適用于低揚(yáng)程大型排澇泵站。

(2)由ZM3.0-Y991模型水泵與斜式進(jìn)水流道、直管式出水流道匹配組成的泵裝置空化余量均小于10 m，斜式泵裝置空化性能優(yōu)良。

(3)水泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速不大，在最大裝置揚(yáng)程下飛逸轉(zhuǎn)速滿足工程安全。

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[1] 施衛(wèi)東，關(guān)醒凡．30°斜軸泵模型裝置的試驗(yàn)研究[J]．中國(guó)農(nóng)村水利水電，1997，(3)：28-30.

[2] 胡德義，王為人，李慶生，等.太浦河泵站斜15°軸伸泵水力動(dòng)態(tài)分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2002，(3)：81-87.

[3] 華明，曹正浩，仲付維．泵站斜式進(jìn)水流道水力特性試驗(yàn)[J]．南京水利科學(xué)研究院水利水運(yùn)科學(xué)研究，2000，(4)：61-64.

[4] 陳毓陵，華 明，曹光華．30°斜式軸流泵的水力模型試驗(yàn)[J]．南京水利科學(xué)研究院水利水運(yùn)科學(xué)研究，2000，(2)：55-58.

[5] 何鐘寧，周正富，談 強(qiáng)，等．15°斜軸泵裝置特性試驗(yàn)[J]．排灌機(jī)械，2008，26(6)：36-40.

[6] 周正富，陳松山，何鐘寧，等．斜式軸流泵裝置模擬計(jì)算研究[J]．中國(guó)農(nóng)村水利水電，2009，(4)：65-68.

[7] 楊榮娣，莫為澤，張海平．30°斜軸伸泵裝置水力模型的開發(fā)及其應(yīng)用研究[J]．水泵技術(shù)，1997，(2)：3-7.