滁河四級站混流泵裝置模型試驗研究

方 進，晏清洪

(1.安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 和縣 238251；2．中國水利水電科學研究院 水利研究所，北京 100044)

泵裝置模型試驗是檢驗和優化泵裝置水力性能的重要手段[1]。近年來，國內學者對不同類型的軸流泵裝置開展了大量模型試驗研究[1-11]。混流泵性能介于離心泵和軸流泵之間，具有流量、揚程變化范圍大，高效區寬，無明顯不穩定運行區等優點，在大型調水工程中的應用日益廣泛[12]。目前，關于混流泵裝置模型試驗研究成果的報道較少[13-15]。本文對滁河四級站的混流泵裝置開展模型試驗研究。

1 工程概況

滁河四級站屬于駟馬山灌渠的最后一級提水泵站，其設計凈揚程、最低凈揚程和最高凈揚程分別為16.4、14.9和17.9 m，設計裝機為8臺套(7用1備)，設計抽水流量為71.4 m3/s。泵站的水泵采用立式半調節混流泵，葉輪直徑為1.856 m，配套電動機為立式同步電機，單機功率2 800 kW，額定轉速250 r/min。

滁河四級站的進水流道為肘形進水流道，而出水流道采用彎直管式的鋼制管道，管道爬坡延伸至出水池，出水流道長約40 m。經過優化比選，泵站采用南水北調工程天津同臺試驗比選中的優秀水泵模型----混流泵模型TJ11-HL-08。泵站系統的縱剖面結構詳見圖1。

2 泵裝置模型試驗

在保證泵站控制性結構尺寸不變的基礎上，利用CFD對泵站進出水流道進行優化計算，確定流道的型線尺寸，并與TJ11-HL-08水泵模型組成高效泵裝置，開展泵裝置模型的能量特性、空化特性、飛逸特性和壓力脈動特性等試驗。

圖1 滁河四級站縱剖面結構布置圖

2.1 高精度閉式試驗臺介紹

模型試驗在江蘇大學國家水泵工程中心高精度多功能水泵閉式試驗臺進行。試驗臺的各種量測儀器設備的隨機不確定度控制在±0.1%以內，效率綜合不確定度優于0.32%。為保障試驗泵在做空化時循環泵不發生空化現象，試驗臺采用立式結構。試驗臺的水循環系統結構布置見圖2。

圖2 試驗臺水循環系統結構布置圖

2.2 泵裝置模型試驗方案

依據《水泵模型及裝置驗收試驗規程》SL140-2006，泵裝置模型的試驗轉速nm按照原型與模型的nD值相等的條件確定。原型泵葉輪直徑Dp為1.856 m，額定轉速np為250 r/min，模型泵葉輪直徑Dm為0.32 m，計算得到模型泵裝置的試驗轉速nm為1 450 r/min。

根據相似原理對水泵葉輪、導葉以及進、出水流道進行了全模擬，所有過流部件保證幾何相似，尺寸由同一模型比計算確定。模型泵葉輪導葉通過數控加工，模型流道通過電腦放樣鋼板焊接，流道內部表面加涂層，既滿足幾何相似又滿足糙率相似得要求。換算得到的模型泵裝置方案見圖3。

圖3 模型泵裝置原方案

由圖3可知，按原型結構尺寸換算后的模型泵裝置出水管道較長，且向上坡度較大，導致無法直接接入出水罐。若附加接管及彎頭，則導致模型泵裝置的出水流道與原型不完全相似，對試驗結果會產生較大的誤差。而且由于模型試驗系統為閉式系統，重力的作用可忽略不計。因此，筆者對試驗方案做了如下改進：將坡度向上的出水管道部分繞流道的對稱軸O-O旋轉180°，使流道坡度向下。這樣導致了流道的出口過低，仍然無法接入出水罐中。于是，把流道出口的彎頭前移，再把傾斜直管段的一部分移至彎頭后面，變成水平直管段，并保持流道的總長度不變，詳見圖4。因為出水流道為等徑管，能夠保持流速不變，所以彎頭在管道中的前后位置不影響其管道總體水力損失的大小，保證了出水流道的模型與原型保持水力損失相似。模型泵裝置系統試驗現場照片見圖5。

圖4 模型泵裝置試驗改進方案

圖5 試驗現場

2.3 模型泵裝置能量特性試驗

利用改進的模型試驗系統，測試了模型泵裝置5個不同的葉片角度(+4°、+2°、0°、-2°、-4°)的能量特性，試驗結果如圖6所示。試驗中對各種流量下模型泵裝置的進水流道流態進行了觀測，未見發生有害的旋渦和渦帶 。

圖6 能量特性曲線

2.4 模型泵裝置空化特性試驗

泵裝置空化余量實際是帶進水流道條件的泵的空化余量。空化試驗的基準面應取在最易發生空化部位的水平面，對于立式混流泵，應以過模型泵轉輪葉片進口外緣的水平面為基準計算模型泵裝置的許用空化余量[NPSH]。首先保證在不產生空化的情況下測定第一個試驗點，然后保證流量不變和試驗轉速恒定，對封閉循環系統抽真空，并逐漸加大真空度，對每一個流量工況點應逐漸降低試驗循環水體系統的空化余量(NPSH)。取水泵裝置效率下降1%時的空化余量作為臨界值，以NPSHc表示。在空化試驗曲線即將發生斷裂的區域應有較密集的試驗點。

分別對5個葉片角度進行了空化試驗，每個葉片角測試了5個工況點，0°葉片角空化試驗數據如表1所示。原型泵裝置的綜合特性曲線如圖7所示。

表1 水泵模型裝置空化特性試驗數據(0°)

圖7 原型泵裝置綜合特性曲線

根據模型試驗結果和原型泵裝置綜合特性曲線可知，在葉片安放角0°時，設計凈揚程為16.4 m工況下，單臺機組流量為12.3 m3/s，最高裝置效率可達83.0%。泵裝置性能參數不僅滿足設計要求，而且性能優異。

由表1空化特性試驗數據可知，泵裝置在最優工況點附近空化余量最小，偏離最優工況點，在高揚程和低揚程工況下運行空化余量均較高，偏流最優工況點越遠，空化余量增加得越多。由于在最高凈揚程時葉輪的淹沒深度最小，可用此工況來校核葉輪的淹沒深度。在最高凈揚程時，葉輪最小淹沒深度為4 m，0°葉片安放角度下的臨界空化余量為9.9 m，因此葉輪中心的最小淹沒深度完全滿足泵裝置的空化性能要求。

2.5 模型泵裝置飛逸特性試驗

飛逸試驗時利用循環輔助泵反向供水，使水泵在水輪機工況下反轉，在軸扭矩為0時，測量不同水頭下飛逸轉速值，并計算出平均單位飛逸轉速。

單位飛逸轉速的計算公式如下：

(1)

式中：N0為單位飛逸轉速，r/min；nf為試驗的飛逸轉速，r/min；D為葉輪名義直徑，m；H為模型試驗水頭，m。

試驗測試了0°葉片角條件下的飛逸轉速，平均單位飛逸轉速為176.5 r/min，詳見表2。

表2 0°飛逸轉速試驗數據表

飛逸轉速與水頭、葉片安放角度有關，根據試驗結果，計算得到葉片角0°工況下的原型泵飛逸轉速。

葉片角0°工況下，原型泵裝置隨揚程的飛逸轉速變化曲線如圖8所示。

圖8 飛逸特性曲線

2.6 模型泵裝置壓力脈動試驗

依據《水力機械振動和脈動現場測試規程》GB/T 17189-2007，試驗采用高頻壓力傳感器對泵進出口處以及葉輪出口導葉進口處的壓力脈動情況進行了測量。測量采樣頻率1 500 Hz,記錄時間15 s，壓力脈動試驗測點布置見圖9。

在0°葉片角，對模型泵裝置的葉輪進口、葉輪出口和導葉出口壓力脈動進行了測定，圖10～圖12所示為3個不同工況點下的壓力脈動曲線。

圖9 壓力脈動測點布置圖

圖10 葉輪進口壓力脈動

圖11 葉輪出口壓力脈動

圖12 導葉出口壓力脈動

對水壓脈動試驗結果采用97%置信度雙幅值進行統計，最大脈動幅值在2.4 m以內，主要出現在葉輪出口位置。因此總體看，該泵的內部流動引起的壓力脈動對泵性能的影響較小，不會引起明顯的振動和噪聲。振動的主頻主要為水泵的葉頻、軸頻及其倍頻。

3 結 語

針對滁河四級站混流泵裝置形式，在保證原型泵裝置和模型泵裝置出水流道水力損失相似的條件下，優化設計了一種新型模型泵裝置試驗形式，在試驗臺成功布置出水流道較長、坡度較大的混流模型泵裝置，保證了試驗能夠準確順利開展，可供類似泵站模型試驗研究參考和借鑒。

由滁河四級站的泵裝置模型試驗結果可知，泵站進出水流道型線設計效果良好，水泵模型選型準確，泵裝置總體性能優良，可在不同特征工況下安全、穩定運行，能夠滿足滁河四級站的設計和運行要求。

混流泵性能介于離心泵和軸流泵之間，具有流量、揚程變化范圍大，高效區寬，無明顯不穩定運行區等優點，在大型調水工程中的應用日益廣泛。滁河四級站的建設方案和性能參數可供同類型混流泵站借鑒和采用。

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