軸流泵變角與變速的試驗分析

張文鵬，湯方平，謝榮盛，石麗建，謝傳流(揚州大學水利與能源動力工程學院， 江蘇 揚州 225009)

由于我國處于亞歐大陸東南和太平洋西岸特殊的地理位置, 大部分地區位于季風氣候區，致使我國的洪澇災害具有發生頻率高、受災范圍廣和一旦受災就損失嚴重等特點。尤其是近幾年來，城市洪澇災害屢見報端，給人民群眾的生命財產安全造成了重大威脅。要解決洪澇災害問題，建設排澇泵站無疑是最有效的方法之一。某泵站規劃為城市排澇泵站，兼顧抽排和自排功能，采用立式軸流泵裝置。工程上大都是采用nD值相等轉化原理，用模型實驗預測原型泵裝置性能。儲訓等[1]研究了軸流泵變速運行的優點；袁堯等[2]研究了變角性能的相似關系；馮曉莉等[3]研究了在變角情況下優化泵站運行方案的經濟性。國內中小型泵站多采用半調節式的葉片調節方式，大型泵站多采用全調節式的葉片調節方式，泵站可供選擇的調節方案比較單一，特別是水位變化較大時，泵站的高效安全運行得不到保證。本文基于模型泵裝置能量試驗，分析了軸流泵變角和變速各自的運行特點，對在變速實驗中得到的高效點的流量與轉速值進行擬合，驗證了水泵的比例律關系，為泵站調節經濟運行提供依據。

1 模型試驗概述

1.1 泵裝置簡介

泵裝置模型試驗采用鐘形進水流道。水泵裝置模型比尺為1∶5.733，模型泵名義葉輪直徑D為300 mm，葉片間隙0.2 mm左右，輪轂比為0.4，葉片數為4，采用 黃銅經數控加工成型。

1.2 試驗臺簡介

試驗在揚州大學高精度水力機械試驗臺上進行。試驗臺鑒定，效率測試系統綜合誤差為±0.39%，滿足國家標準GB/T 18149-2000和中華人民共和國水利部行業標準SL140-2006 精度要求，通過國家計量認證。試驗臺為立式封閉循環系統，總長度60.0 m，管道直徑為0.5 m(僅在安裝電磁流量計的前后10倍直管段為直徑0.4 m的管道)，整個系統內水體積為50 m3。試驗臺可進行泵裝置模型的能量試驗、汽蝕試驗、飛逸特性試驗、水輪機工況試驗、模型泵裝置過渡特性、內特性試驗等。本文在該試驗臺進行了泵裝置能量試驗研究。試驗臺如圖1所示。

圖1 試驗臺簡圖Fig.1 simple figure of the test bench 注：1-進水箱；2-受試泵裝置及驅動電機；3-壓力出水箱；4-分叉水箱；5-流量原位標定裝置；6-工況調節閘閥；7-穩壓整流筒；8-電磁流量計；9-系統正反向運行控制閘閥；10-輔助泵機組。

2 變角調節

2.1 變角調節方式

大型泵站工程根據實際運行水位普遍采用變角調節的方法來改變水泵運行工況。變角調節就是通過改變軸流泵葉片的安放角，使水泵性能發生變化，以達到調節目的。葉片角度調節有半調節和全調節2種方式[4]。半調節方式中，水泵葉輪的葉片通常用緊固螺栓固定在輪轂上，葉片和輪轂上刻有指示線和角度線，在調節時松開螺母，即可轉動葉片，一般在檢修時進行,故不能實時調節。采用全調節方式時，可以通過液壓系統或機械調節機構調節葉片角度，可進行實時調節，便于自動化控制，但成本較大，泵裝置結構復雜，并且存在一定的不確定性[5]。

2.2 試驗方法

本次模型泵試驗由于實驗條件限制采用半調節的調節方式。分別測試了5個不同葉片安放角度(-2 、0 、+2 、+4 、+6°)在轉速為1 433 r/min下的泵裝置能量特性。每次試驗除調節角度不同外，保持其他參量不變。以0°葉片安放角為例，介紹試驗注意事項如下：試驗開始前，先測出空載扭矩，用來校正數據；通過揚程表對補水后的系統排氣，以減小試驗誤差；由于水溫變化會對扭矩零點產生影響，試驗前要根據水溫變化設置扭矩儀系數，降低水溫變化對試驗精度的影響(在同一次試驗中，由于試驗時間較短，短時間內水溫變化不大，忽略試驗中的水溫變化影響)；試驗中，通過自動調節旋鈕控制蝶閥開度來調節工況，得出該角度下的工況性能曲線。各角度性能曲線如圖2所示(從左至右依次為-2°、0°、+2°、+4°、+6°)。

圖2 變角性能曲線Fig.2 Performance curve of the variable angle

2.3 變角性能曲線的分析

試驗結果表明：在各自安放角下，高效區范圍均較寬，在高效區內調節揚程范圍也較大；當改變葉片安放角時，各角度下的性能曲線近似平移變化，最高效率點變化不大，在最高效率點工況時對應的揚程改變也很小。總的來說，葉片角度調節能在較大的流量范圍內保持水泵運行效率基本不變，調節流量效果明顯，是比較經濟的工況調節方法，但是在洪水突然來臨且水位變化較大時，在短時間內通過改變角度來調節揚程是較難實現的。

3 變速調節

3.1 變速調節概述

隨著國外大型變頻器的引進，變速調節的方式在泵站中也逐漸得以使用。變速調節就是用改變水泵轉速的方法來改變水泵運行工況,具有調節快速方便、調節范圍寬等優點。水泵轉速的改變，可以通過改變動力機轉速或改變傳動機構的轉速比等方法實現。本次試驗采用改變動力機轉速的方法。由于超額定轉速運轉會對電機造成損害，所以只選擇采用降速運行。本次試驗在+4°安放角下分別做出轉速為1 433(額定轉速)、1 300、1 200、1 100、1 000、900、800 r/min下的能量性能曲線，曲線均在馬鞍區前結束。試驗步驟同變角調節方式相似，不再贅述。變速性能曲線見圖3(從左至右依次為800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 433 r/min)。

圖3 變速性能曲線Fig.3 Performance curve of the variable speed

3.2 試驗結果分析

從變速的“流量～揚程曲線”和“流量～效率曲線”可以看到：各個轉速下，最高效率變化不大，高效區的范圍從高轉速到低轉速呈遞減趨勢，即高轉速下高效區范圍較寬；在揚程方面，高轉速調節揚程范圍更寬。總體來看，變速調節時，在最高效率點的流量調節范圍較大，揚程改變也較大。以效率超過70%來看，各轉速下流量和揚程的范圍如表1所示。

由此擬合了在最高效率點時，流量和轉速的關系如圖4所示，即：

n=3.677 6 Q +1.524 8

圖4 最高效率點流量和轉速關系Fig.4 Relationship between flow rate and speed in the highest efficiency

式中：n、Q分別為轉速和單位流量。

對于同一臺泵，因為DP/DM=1,有水泵的比例律公式：

Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=(n1/n2)2

N1/N2=(n1/n2)3

式中：DP、DM分別表示原型泵和模型泵的葉輪直徑；Q、H、N分別表示流量、揚程和軸功率；角標“1”、“2”分別表示水泵的不同轉速下的工況。

通過對最高效率點流量和轉速的擬合，驗證了變速條件下流量和轉速的關系符合變速相似原理。

根據比例律公式，用1 433 r/min 下的性能曲線驗證其他轉速下的性能曲線結果如圖5所示。

圖5 額定轉速驗證其他轉速Fig.5 Rated speed validate others

3.3 注意事項

需要指出的是，在降速運行時，揚程曲線基本重合，但效率曲線隨降速增加偏差變大。分析原因可能為：由于機械損失在不同轉速下不符合變速相似關系，當轉速減小過大時，導致效率變化較大。因此，降速運行要在一定范圍內進行。另外，考慮在超額定轉速下運轉對電機損害很大，泵站在運行時也應該避免采用超額定轉速運行。綜合考慮，建議降速范圍在額定轉速的1/3以內。

4 結 語

通過模型泵裝置試驗，得出以下結論：當采用變角調節方式調節葉片角度時，各角度下的性能曲線高效區范圍都很寬，調節流量效果明顯，不同角度下最高效率點對應的揚程變化不大；當采用變速調節時，在一定范圍內隨著轉速的降低，高效區范圍逐漸變窄，轉速改變在最高效率點上調節揚程效果明顯，并且驗證了變速相似原理。將變角調節和變速調節兩種方式合理結合，可以最大可能的滿足泵站在高效區運行的要求，并且起到及時調節揚程的目的，既經濟安全，又穩定高效。

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[1] 儲 訓. 大型水泵變速調節運行方案[J]. 水泵技術，2001,(1):29-32.

[2] 袁 堯，劉 超. 水泵變角性能的相似關系研究[J]. 水力發電學報，2013,32(2):276-281.

[3] 馮曉莉，仇寶云. 大型泵站系統運行優化模型與節能效果比較[J]. 農業工程學報，2012,28(12):46-51.

[4] 劉 超. 水泵及水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2009:60-66.

[5] 袁 堯. 基于蟻群算法和變角相似關系的泵站優化運行研究[D]. 江蘇揚州：揚州大學，2013.