睢寧縣凌城泵站軸流泵裝置模型試驗

孫丹丹，陳世杰，王 斌，謝傳流，楊 帆

(1.徐州市水利建筑設計研究院，江蘇 徐州 221002;2.揚州大學，江蘇 揚州 225127)

立式軸流泵裝置在我國大型低揚程泵站中應用廣泛，具有運行穩定可靠、安裝檢修方便、投資節省和制造技術成熟等優點，適用于低揚程、運行時間長的泵站。我國已建大型軸流泵站300多座，但在較低揚程的條件下運行時，立式軸流泵裝置不易得到較高的水力效率。為了確保泵站實際運行時的高效、穩定和安全，需進行泵裝置物理模型試驗。該試驗可以確定泵站實際運行時的能量和汽蝕性能，檢驗泵裝置在正常運行工況下能否高效安全穩定運行[1-5]。

1 概 況

凌城泵站位于徐州市睢寧縣境內，為立式軸流泵裝置，采用肘形進水流道，圓直管出水流道。泵站安裝5臺1300ZLB型立式軸流泵機組，配套YL710-16型高壓電機，單機功率500 kW，電機轉速370 r/min，葉輪直徑為1 150 mm，單機設計流量5 m3/s。

凌城泵站設計凈揚程為5.2 m，最高凈揚程為7.4 m，最低凈揚程為2.8 m，平均凈揚程為5.2 m。

2 模型泵裝置試驗

2.1 試驗概況

泵裝置模型比尺為1∶3.833，水力模型采用揚州大學研發的ZM55軸流泵水力模型，模型泵名義葉輪直徑為300 mm，實際葉輪直徑為299.65 mm，輪轂比為0.4，葉片數為4，用黃銅材料經數控加工成型。DYZM55導葉輪轂直徑為110 mm，葉片數為7，用鋼質材料焊接成型。進出水流道采用鋼板焊接制作，模型泵葉輪室設有觀察窗，便于觀測葉片處的水流和汽蝕，模型泵裝置見圖1。模型泵安裝檢查：導葉體與葉輪室定位面軸向跳動0.10 mm，葉輪輪轂外表面徑向跳動0.08 mm，葉頂間隙控制在0.20 mm以內。

圖1 凌城站泵裝置模型Fig.1 Model of pump plant in Lingcheng station

2.2 試驗臺布置

泵裝置模型試驗在揚州大學測試中心的高精度水力機械試驗臺上進行。試驗臺為立式封閉循環系統，見圖2。

圖2 高精度水力機械試驗臺Fig.2 High precision hydraulic machine test stand 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-稱重傳感器；6-流量原位標定裝置；7-工況調節閘閥；8-穩壓整流筒；9-電磁流量計；10-系統正反向運行控制閘閥；11-輔助泵機組

該試驗臺水力封閉循環系統的總長度為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管道，整個系統水體積為50 m3。

試驗臺可進行泵裝置模型性能試驗、汽蝕試驗、飛逸試驗；水輪機工況試驗；模型泵裝置過渡特性、內特性試驗；可對電磁流量計進行原位校驗。試驗臺通過了由江蘇省科技廳組織的鑒定，效率測試系統綜合誤差為±0.39%，滿足國家標準GB/T18149-2000和中華人民共和國水利部行業標準SL140-2006的精度要求，通過國家計量認證，認證證書在有效期內。

2.3 試驗方法

2.3.1 試驗轉速

采用直流整流器調節模型泵裝置試驗電機轉速，泵裝置模型試驗額定轉速為1 418.3 r/min，實際試驗轉速為1 200 r/min，試驗結果換算到標準轉速1 450 r/min。

2.3.2 揚程測量

泵裝置揚程H等于泵裝置進出口2個測壓斷面的總能量差，測壓斷面見圖3，1-1斷面為進口測壓斷面，2-2斷面為出口測壓斷面，因此，泵裝置揚程就相當于泵站上下游水位差，即凈揚程。

總能量差等于兩斷面的靜壓差與動壓差的代數和[6]：

(1)

圖3 測壓斷面示意Fig.3 Sketch map of pressure measuring section

2.3.3 流量測量

泵裝置模型的流量采用DN400電磁流量計直接測量。

2.3.4 軸功率測量

泵裝置模型機械損失轉矩主要由軸承與軸封摩擦損失等造成，在機組無水運轉時測出。每次調整葉片安放角度后先測試空載轉矩，再充水進行性能試驗。泵軸的轉速和輸入轉矩，由安裝于驅動電機和水泵軸之間的ZJ型轉速轉矩傳感器直接測得。軸功率由下式計算[7]：

(2)

式中：M為模型泵輸入轉矩，N·m；M′為模型泵機械損失轉矩，N·m；n為模型泵試驗轉速，r/min。

2.3.5 轉速測量

通過電磁感應原理測得安裝于轉速轉矩傳感器軸上的齒輪在采樣周期T內轉過的齒數m，在齒輪的齒數為120齒時，在采樣周期時間段內泵軸的轉速即為：

(3)

2.3.6 汽蝕余量測量

汽蝕試驗保持流量不變，通過封閉循環系統內抽真空，逐步減小系統壓力的方法，汽蝕試驗保持流量不變，使泵內發生汽蝕。不同系統壓力下的泵裝置有效汽蝕余量值由下式計算[8]：

(4)

式中：NPSHav為泵裝置有效汽蝕余量，m；Pav為泵裝置進水箱測壓點的絕對壓強，由絕對壓力變送器測得，Pa；v為泵裝置進水箱測壓斷面平均流速，m/s；Pv為試驗水溫下水的飽和蒸汽壓強，Pa；h為絕對壓力變送器高于泵葉片旋轉中心線(泵軸)的高度，m。

測試過程中，流量保持常數，效率下降1%確定為臨界汽蝕余量NPSHre。

2.3.7 飛逸特性測量

飛逸試驗水頭由輔助泵提供，脫開扭矩儀與電機之間的聯軸器，調整輔助泵的轉速，測得不同水頭下模型泵裝置反轉且輸出力矩為零時的轉速和流量。飛逸特性可用單位轉速和單位流量表示，按下式計算[9,10]：

實驗教學是理論教學的必要補充，在高等教育階段是培養學生思維能力的不可忽視的重要環節．文中敘述了數字圖像處理實驗教學中開展思維教學的必要性，從實驗性質、實驗原理和實驗目的等方面詳細介紹了所開設的設計性實驗項目，并以直方圖繪制實驗項目的實驗教學為例，詳細地探討了面向思維教學的實驗教學過程的4個步驟．實踐表明，將思維教學引入數字圖像處理的實驗教學中獲得了較好的教學效果，是有益的教學方法嘗試．

(5)

(6)

式中：n′1,R為單位轉速，r/min；Q′1,R為單位流量，m3/s；D為葉輪名義直徑，m；H為上下游總水頭差，m；nR為H值下測得的轉速，r/min；QR為H值下測得的流量，m3/s。

由式(5)、式(6)計算出單位轉速和單位流量，取出單位轉速趨于穩定時的數值作為單位飛逸轉速n′1。原型泵不同揚程點的實際飛逸轉速可由下式確定：

(7)

式中：nR,P為原型泵的實際飛逸轉速，r/min；DP為原型泵葉輪直徑，m；HP為原型泵工作點的揚程，m。

2.3.8 水泵裝置模型效率計算

水泵裝置模型效率為扣除機械損失轉矩后的數值，由下式計算[11-15]：

(8)

式中：η為水泵裝置模型效率，%；Q為模型泵裝置流量，m3/s；H為模型泵裝置揚程，m；ρ為試驗實時水體密度，kg/m3；g為當地重力加速度，m/s2。

當水溫變化較大時，應按實測水溫修正密度ρ。本試驗臺回路系統容積較大，一次試驗過程中水溫變化較小。試驗水溫以開機后穩定運行20 min后的實測水溫取值，并認為一次試驗過程中系統水溫為恒定。

3 模型試驗結果

3.1 能量性能試驗

模型試驗測試了5個葉片安放角度(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)的能量性能。圖4為相應的原始數據圖。同一轉速，相同工況下，隨著葉片安放角度的增加，揚程逐漸增大。各角度最優工況參數見表1。在葉片安放角為+2°時立式軸流泵裝置最高效率達80.2%，此時泵裝置的流量為383.29 L/s，揚程為5.303 m。根據試驗結果整理得到凌城站水泵裝置模型綜合特性曲線，見圖5(轉速為1 450 r/min，葉輪直徑為300 mm)。凌城站原型泵裝置綜合特性曲線，見圖6(轉速為370 r/min，葉輪直徑為1 150 mm)。

圖4 凌城站水泵裝置模型能量性能試驗數據Fig.4 The energy performance test data diagram of pump plant model in Lingcheng station

葉片角度/(°)最優效率點參數流量/(L·s-1)揚程/m軸功率/kW效率/%-4297.545.42119.95579.08-2308.956.03323.13478.820364.384.87622.05478.81+2383.295.30324.80480.17+4394.735.62527.41379.23

圖5 凌城泵站泵裝置模型綜合特性曲線Fig.5 Thecomprehensive characteristic curve of pump unit model in Lingchengpumping station

圖6 凌城站原型泵裝置綜合特性曲線Fig.6 The integrated characteristic curve of prototype pump unit at Lingcheng station

3.2 汽蝕性能試驗

水泵裝置模型的汽蝕試驗采用定流量的能量法，取水泵裝置模型效率較其性能點低1%的有效汽蝕余量作為臨界汽蝕余量(以葉輪中心為基準)。圖7～圖11為各葉片角度不同流量點的汽蝕試驗原始數據，圖12為臨界汽蝕余量曲線。在綜合特性曲線中用等臨界汽蝕余量曲線表示。

圖7 -4°汽蝕性能試驗數據Fig.7 -4°data diagram of cavitation performance test

圖8 -2°汽蝕性能試驗數據Fig.8 -2°data diagram of cavitation performance test

圖9 0°汽蝕性能試驗數據Fig.9 0°data diagram of cavitation performance test

圖10 +2°汽蝕性能試驗數據Fig.10 +2°data diagram of cavitation performance test

圖11 +4°汽蝕性能試驗數據Fig.11 +4°data diagram of cavitation performance test

圖12 凌城站水泵裝置模型臨界汽蝕余量曲線Fig.12 The critical cavitation curve of pump device in Lingcheng station

試驗結果表明，模型泵裝置在設計揚程附近汽蝕性能最優，臨界汽蝕余量在6.0 m以下，在較大的運行范圍內，該軸流泵的汽蝕性能均可滿足泵裝置安全運行的要求。

3.3 飛逸特性試驗

通過對實驗臺測試系統的切換，調節輔助泵使水泵運行系統反向運轉，扭矩儀不受力，測試不同揚程下模型泵的轉速，各葉片安放角下的單位飛逸轉速見表2。按公式計算得到各角度下原模型泵飛逸轉速見表3，根據試驗結果整理可得凌城站原型泵飛逸特性曲線，如圖13。

試驗結果表明，同一葉片安放角下，飛逸轉速隨揚程的增 加而增加；泵裝置單位飛逸轉速隨葉片角度增大而減小；在葉片角度為+4°，最高凈揚程為7.40 m時，最小飛逸轉速為636.3 r/min，為額定轉速1.72倍；在葉片角度為-4°，最高凈揚程為7.40 m時，最大飛逸轉速為704.9 r/min，為額定轉速1.91倍。

表2 各葉片安放角下的單位飛逸轉速數據Tab.2 The blade unit runaway speed data under the table angle

表3 各葉片安放角下原模型泵飛逸轉速數據(最高凈揚程7.4 m時)Tab.3 The blade angle under the original model of pumprunaway speed data table (highest net lift 7.4 m)

圖13 凌城站原型泵飛逸特性曲線Fig.13 The runaway characteristics of prototype pump in Lingcheng station

4 結論與建議

在優化進出水流道的基礎上制作了模型泵裝置并進行了物理模型試驗，獲得了凌城站水泵模型裝置的能量、汽蝕和飛逸特性。

(1)能量試驗結果表明，在葉片安放角+2°時，該泵裝置的最高效率達80.2%，此時泵裝置揚程為5.303 m，流量為383.29 L/s；在設計揚程5.20 m時，該原型泵裝置流量為5.4 m3/s，滿足凌城站單機組設計流量要求；模型泵最大運行揚程超過8.7 m，對應原型泵裝置揚程為8.324 m，滿足凌城站最大揚程7.40 m的運行要求。

(2)汽蝕試驗結果表明，模型泵裝置在葉片安放角0°時，在設計揚程附近臨界汽蝕余量在5.50 m以下，汽蝕比轉速大于1 500。在凈揚程2.80～7.40 m時，該軸流泵的汽蝕性能均可滿足泵裝置安全運行的要求。

(3)飛逸試驗結果表明，泵裝置單位飛逸轉速隨葉片角度增大而減小。在葉片角度為-4°，最高凈揚程為7.40 m時，最大飛逸轉速為704.9 r/min，為額定轉速1.91倍，此飛逸轉速較大，應對電機結構進行改善設計。

(4)原型泵裝置在葉片安放角+2°時，可能出現的最大軸功率為426 kW，考慮配套電機功率500 kW余量充裕，建議原型泵葉片安放角放在+1°運行，這樣在設計揚程5.2 m時，流量可達到5.21 m3/s，泵裝置效率可達到79.0%，臨界汽蝕余量同樣滿足水泵安全運行的要求。

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