滁河四級站混流泵裝置模型飛逸特性試驗(yàn)研究

方進(jìn)+徐景東

摘 要：滁河四級站是駟馬山灌區(qū)的最后一級提水泵站，為研究滁河四級站混流泵裝置模型的飛逸特性，在江蘇大學(xué)多功能水泵裝置模型試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了泵裝置模型的飛逸特性試驗(yàn)。針對該泵站出水管道較長、坡度較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)方案，既保證了模型流道與原型流道的水力損失相似，又使模型泵裝置在試驗(yàn)臺(tái)能夠完整布置。結(jié)果表明，對同一泵裝置，不同葉片安放角時(shí)，單位飛逸轉(zhuǎn)速均不同；相同葉片安放角時(shí)，單位飛逸轉(zhuǎn)速隨水頭增大呈下降趨勢。該泵站模型泵裝置的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果可為類似的大型立式泵站模型試驗(yàn)研究提供重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：泵站；混流泵裝置；模型試驗(yàn)；飛逸特性

中圖分類號：TV22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0099-02

1 概述

滁河四級站是駟馬山灌渠的最后一級提水泵站，規(guī)劃向安徽省定遠(yuǎn)縣江巷水庫輸水，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程16.4m，最低凈揚(yáng)程14.9m，最高凈揚(yáng)程17.9m。設(shè)計(jì)灌溉面積134.7萬畝，其中江淮分水嶺以北池河流域灌溉面積為121萬畝，四級站設(shè)計(jì)裝機(jī)8臺(tái)套（7用1備），設(shè)計(jì)抽水流量71.4m3/s，其中水泵為立式半調(diào)節(jié)混流泵，葉輪直徑為1.856m，配套電動(dòng)機(jī)為立式同步電機(jī)，單機(jī)功率2800kW，額定轉(zhuǎn)速250r/min。

滁河四級站的進(jìn)水流道采用設(shè)計(jì)方法較成熟的肘形進(jìn)水流道，而出水流道為彎直管式出水方案，鋼制管道，管道爬坡一直延伸至出水池，出水流道長約40m。經(jīng)過優(yōu)化比選，最終泵站采用混流泵模型TJ11-HL-08，為南水北調(diào)工程天津同臺(tái)試驗(yàn)比選中的優(yōu)秀水泵模型。泵站系統(tǒng)縱剖面結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示。

為便于了解滁河四級站混流泵裝置的飛逸特性，本文針對其泵裝置模型開展飛逸特性研究。

2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

在保證泵站控制性結(jié)構(gòu)尺寸不變的基礎(chǔ)上，對進(jìn)出水流道進(jìn)行CFD優(yōu)化計(jì)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(dòng)特性等試驗(yàn)，驗(yàn)證泵裝置的整體性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)

在江蘇大學(xué)國家水泵工程中心高精度多功能水泵閉式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了模型泵裝置試驗(yàn)研究。試驗(yàn)臺(tái)各量測儀器設(shè)備均通過省級計(jì)量檢定，其隨機(jī)不確定度控制在±0.1%以內(nèi)，效率綜合不確定度優(yōu)于0.32%，經(jīng)江蘇省科技廳鑒定，綜合技術(shù)指標(biāo)居國內(nèi)領(lǐng)先水平。機(jī)械工業(yè)排灌產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心（鎮(zhèn)江）、江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督泵類產(chǎn)品檢測站等檢測機(jī)構(gòu)設(shè)在本單位，具有公正向社會(huì)提供泵類產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)的能力和資質(zhì)。本試驗(yàn)臺(tái)采用立式結(jié)構(gòu)，作用是試驗(yàn)泵在做空化時(shí)而循環(huán)泵不至于發(fā)生空化現(xiàn)象。試驗(yàn)臺(tái)水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)能夠進(jìn)行各類大中型泵站裝置模型試驗(yàn)，可安裝立軸、橫軸、斜軸及貫流等各型水泵模型裝置。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)《水泵模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》SL140-2006，泵裝置模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)速按照原型與模型的nD值相等的條件確定。由原型泵葉輪直徑Dp=1.856m，額定轉(zhuǎn)速為np=250r/min，模型泵葉輪直徑Dm=0.32m，則可計(jì)算得出模型泵裝置試驗(yàn)轉(zhuǎn)速nm=1450r/min。

按相似原理全模擬水泵葉輪、導(dǎo)葉、以及進(jìn)、出水流道，全部過流部件幾何相似，尺寸按同一模型比計(jì)算確定。模型泵葉輪導(dǎo)葉采用數(shù)控加工，模型流道采用電腦放樣鋼板焊接，流道內(nèi)部表面加涂層，不僅滿足幾何相似還同時(shí)滿足糙率相似要求。換算后的模型泵裝置原方案如圖3所示。

由圖3可知，按原型結(jié)構(gòu)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(dǎo)致無法直接接入出水罐。若附加接管及彎頭，則導(dǎo)致模型泵裝置的出水流道與原型不完全相似，對試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

由于模型試驗(yàn)系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，重力的作用可忽略不計(jì)。因此，采用試驗(yàn)方案如下：將坡度向上的出水管道部分繞流道的對稱軸O-O旋轉(zhuǎn)180°，使流道坡度向下。但這樣又會(huì)使流道的出口過低，仍然無法接入出水罐中。于是，再把流道出口的彎頭前移，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，如圖4所示。因?yàn)槌鏊鞯罏榈葟焦?，能保持流速不變，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，這樣可使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(tǒng)試驗(yàn)現(xiàn)場照片見圖5。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

飛逸試驗(yàn)時(shí)采用循環(huán)輔助泵反向供水，使水泵在水輪機(jī)工況下反轉(zhuǎn)，測量在不同水頭下軸扭矩為0時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速值，并計(jì)算出平均單位飛逸轉(zhuǎn)速。

單位飛逸轉(zhuǎn)速可由葉輪直徑、試驗(yàn)水頭和飛逸轉(zhuǎn)速算出，其計(jì)算公式：

式中，D為葉輪名義直徑（m）；H為模型試驗(yàn)水頭（m）；nf為試驗(yàn)的飛逸轉(zhuǎn)速（r/min）；N0為單位飛逸轉(zhuǎn)速（r/min）。

對0°葉片角進(jìn)行了飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果詳見表1。

飛逸轉(zhuǎn)速與葉片安放角度、水頭有關(guān)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算葉片角0°工況下的原型泵飛逸轉(zhuǎn)速。

原型泵飛逸轉(zhuǎn)速可按nf=N0/D計(jì)算，N0=176.5r/min，則

Hsy=17.9m（最大）時(shí)，nf=402.4r/min，為水泵額定轉(zhuǎn)速的1.6倍。

Hsy=16.4m（設(shè)計(jì)）時(shí)，nf=385.2r/min，為水泵額定轉(zhuǎn)速的1.5倍。

原型泵裝置葉片角0°情況下隨揚(yáng)程的飛逸轉(zhuǎn)速變化曲線如圖6所示。

4 結(jié)束語

針對滁河四級站典型泵裝置形式，基于使原、模型出水流道水力損失相似的條件下，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種模型泵裝置試驗(yàn)形式，使出水流道較長、坡度較大的模型泵裝置能夠在試驗(yàn)臺(tái)成功布置，保證了飛逸特性試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確順利開展。

由滁河四級站的泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果可知，對同一泵裝置，不同葉片安放角時(shí)，單位飛逸轉(zhuǎn)速均不同；相同葉片安放角時(shí)，單位飛逸轉(zhuǎn)速隨水頭增大呈下降趨勢。該泵站模型泵裝置的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果可為類似的大型立式泵站模型試驗(yàn)研究提供重要的參考價(jià)值。

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