大型斜流泵飛逸特性試驗研究

梁曉玲 田瑞嬌 徐靖 姜萍

摘要：斜流泵在飛逸工況下運行時因轉(zhuǎn)動部件上的巨大離心力可能造成機械損壞、振動和噪聲，為探究斜流泵飛逸特性，以河海大學流體機械實驗室的水力機械多功能試驗臺為基礎(chǔ)，測量斜流泵模型裝置在不同葉片安裝角度、不同揚程下飛逸轉(zhuǎn)速值.計算各工況下斜流泵原型單位飛逸轉(zhuǎn)速及飛逸轉(zhuǎn)速.試驗結(jié)果表明：同一水泵揚程下，飛逸轉(zhuǎn)速隨著葉片安放角度的增加而減小.在最大揚程內(nèi)不同葉片安放角下，原型斜流泵最大飛逸轉(zhuǎn)速均未超過額定轉(zhuǎn)速的2.0倍.同一葉片安放角時，斜流泵飛逸轉(zhuǎn)速均隨著水泵揚程的增加而增加.單位飛逸轉(zhuǎn)速隨著葉片安放角度的增加而減小，與飛逸轉(zhuǎn)速變化規(guī)律相同.

關(guān)鍵詞：斜流泵;飛逸特性;相似理論

中圖分類號：TV734? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）01-0080-03

1 引言

斜流泵具有離心泵和軸流泵的雙重優(yōu)點[1]，擁有良好的穩(wěn)態(tài)性能[2]，由于其體積小，易于啟動[3]且自身工作效率高等優(yōu)點，已成為近年來研究的熱點.對于泵站而言，正常運行情況下，需要重點關(guān)注的是水泵的能量特性和汽蝕性能，非正常運行時，飛逸特性就成為重點關(guān)注對象.當水泵電機突然斷電，泵的輸入功率為零時，水倒流經(jīng)過泵，水泵葉輪反轉(zhuǎn)進入水輪機工況，當水輪機轉(zhuǎn)輪所產(chǎn)生的功率與轉(zhuǎn)速升高所產(chǎn)生的機械摩擦損失相平衡時，轉(zhuǎn)速達到某一穩(wěn)定的最大值，此時產(chǎn)生的最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為飛逸轉(zhuǎn)速[4-5].周[6]等對軸流泵裝置在斷電飛逸工況下進行了三位數(shù)之模擬研究，發(fā)現(xiàn)了流量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和測點壓力等參數(shù)隨時間變化規(guī)律，為機組裝置運行管理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了重要依據(jù).為了研究雙向軸流泵裝置飛逸特性，王[7]等利用CFX軟件對泵裝置全流道進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)葉片安放角越大，機組轉(zhuǎn)速越小，葉片壓力面入口尖端區(qū)域存在高壓區(qū)，并且區(qū)域面積與飛逸揚程呈正相關(guān)性.羅[8]等對貫流式水輪機飛逸過渡過程進行了CFX二次開發(fā)數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：泵裝置在飛逸過程中，轉(zhuǎn)速和流量等外特性參數(shù)的變化規(guī)律與高比轉(zhuǎn)速水輪機飛逸過程中參數(shù)變化規(guī)律相一致，并且發(fā)現(xiàn)尾水管偏心渦帶會引起極強的壓力脈動，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行及使用壽命.徐[9]等基于FLUENT動網(wǎng)格技術(shù)對軸流泵裝置進行了飛逸特性研究，得到了泵裝置飛逸過程中的內(nèi)特性及外特性參數(shù)，并與實驗結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相一致，從而驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，為泵裝置瞬態(tài)過渡過程中飛逸特性研究提供了一種新的方法.斜流泵在飛逸工況下運行，工作狀態(tài)多變，水泵動態(tài)荷載很大，易發(fā)生強烈的壓力脈動，危及泵站安全運行[10-12].同時，水泵在飛逸轉(zhuǎn)速運行時產(chǎn)生巨大離心力，引起劇烈振動，造成水泵軸承系統(tǒng)嚴重磨損、引起聯(lián)軸器螺栓松動，若水泵在飛逸工況下運行時間過長，軸承產(chǎn)生的熱量就不能及時被冷卻，造成軸承及聯(lián)軸器損壞[13].

近些年來，盡管越來越多的學者對泵裝置的飛逸特性進行了深入的研究，然而多數(shù)集中于三維數(shù)值模擬研究，且研究對象多為立式軸流泵及貫流泵機組，而對于斜流泵試驗研究并不多見.基于此，本文基于水力機械試驗平臺對斜流泵進行飛逸特性試驗研究，旨在分析飛逸過程中瞬態(tài)特性，為斜流泵的設(shè)計和穩(wěn)定運行提供重要參考.

2 試驗裝置與試驗內(nèi)容

2.1 試驗裝置

試驗以河海大學流體機械實驗室的水力機械多功能試驗臺為基礎(chǔ)，測量斜流泵模型裝置在不同葉片安裝角度、不同揚程下飛逸轉(zhuǎn)速值，試驗綜合不確定度≤4%.試驗臺各設(shè)備布置連接如圖1所示.飛逸特性試驗時，利用調(diào)節(jié)供水泵轉(zhuǎn)速來控制模型泵進、出口側(cè)水位差，改變模型泵揚程至試驗揚程，測定不同揚程下模型泵輸出功率為零時即水輪機工況反運行時的轉(zhuǎn)速.

試驗的主要參數(shù)包括扭矩M與轉(zhuǎn)速n、流量Q、裝置揚程H.采用RFM4110-500型電磁流量計進行流量測量，該流量計由上海光華愛爾美特儀器有限公司生產(chǎn)，水平布置，精度為±0.2%.采用EJA110A型差壓傳感器進行揚程測量，該傳感器由重慶橫河川儀有限公司生產(chǎn)，精度為±0.075%.選用JCZ-200N.m扭矩儀測量扭矩和轉(zhuǎn)速，該扭矩儀由湖南長沙湘儀動力測試儀器有限公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)速精度為±0.1%，扭矩精度為±0.1%.

2.2 試驗參數(shù)及試驗內(nèi)容

模型水泵裝置飛逸特性試驗參數(shù)按照模型與原型nD值相同的條件設(shè)置.根據(jù)水泵相似理論，利用原型斜流泵裝置參數(shù)設(shè)計計算斜流泵模型裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及運行參數(shù).

斜流泵原型裝置參數(shù)：設(shè)計流量60m3/s，配套電機功率1000kW.泵站采用直錐式出水管道、彎肘形進水管道、快速閘門斷流.泵的直徑2050mm，轉(zhuǎn)速194.5rpm，設(shè)計揚程3.52m，最大揚程4.37m，平均揚程1.36m，最小揚程0.20m.

斜流泵模型裝置參數(shù)：設(shè)計流量30m3/s，設(shè)計揚程2.5m，配套電機功率1600kW，泵段設(shè)計效率不低于0.85.電機和水泵采用齒輪箱傳動，泵站采用直管式出水流道、肘形進水流道、快速閘門斷流.模型葉片數(shù)為3片，等角安放，名義直徑300mm，轉(zhuǎn)速為1224r/min.

模型試驗測定斜流泵葉片安放角度為+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°，揚程為0.70m、1.20m、1.80m、2.30m、2.80m、3.30m、3.80m、4.20m及4.60m，共做54組試驗.為保證飛逸轉(zhuǎn)速測量準確性，飛逸特性試驗在有效汽蝕余量12m條件下進行.

3.2 原型斜流泵飛逸轉(zhuǎn)速規(guī)律分析

為了分析飛逸工況對斜流泵裝置可能造成的危害，必須計算出原型斜流泵飛逸轉(zhuǎn)速.根據(jù)相似理論，原型泵與模型泵單位飛逸轉(zhuǎn)速相等，由原型斜流泵的單位飛逸轉(zhuǎn)速計算出不同工況下機組的飛逸轉(zhuǎn)速.圖2為不同葉片安放角度斜流泵原型機組飛逸轉(zhuǎn)速隨揚程增加的變化規(guī)律.由圖2可知：①同一水泵揚程下，飛逸轉(zhuǎn)速隨著葉片安放角度的增加而減小.當水泵發(fā)生飛逸即葉輪反轉(zhuǎn)進入水輪機工況運行時，葉片翼型通過繞流產(chǎn)生升力，推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn).水流對于翼型有一個沖角，根據(jù)翼型的空氣動力性能，當斜流泵正常運行時，沖角一般為正值或零;當斜流泵發(fā)生飛逸，作為水輪機運行時，隨著飛逸轉(zhuǎn)速的升高，圓周速度增加，使沖角越來越小，直至成為負值，即水流對翼型葉片的沖角不斷趨向零升力角.在沖角不斷減小的過程中，翼型產(chǎn)生的升力越來越小，使其產(chǎn)生功率逐漸減小，直至與各種機械損失形成平衡狀態(tài).葉片安放角度越小，水泵作為水輪機運行時達到零升力角所需要的圓周速度越大，即飛逸轉(zhuǎn)速越高.②同一葉片安放角下，水泵飛逸轉(zhuǎn)速均隨著水泵揚程的增加而增加.水泵揚程越高，飛逸過程中水泵轉(zhuǎn)為水輪機運行時水頭越大，所產(chǎn)生的水輪機轉(zhuǎn)輪功率越大，要想使轉(zhuǎn)速升高產(chǎn)生的機械損失功率相與水輪機轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生功率平衡，需要的圓周速度增量越大，即水泵的飛逸轉(zhuǎn)速越大.③不同葉片安放角下，在最大揚程內(nèi)最大飛逸轉(zhuǎn)速均未超過原型水泵過額定轉(zhuǎn)速的2.0倍.

4 結(jié)論

通過斜流泵模型飛逸特性試驗結(jié)果及原型飛逸轉(zhuǎn)速、單位飛逸轉(zhuǎn)速分析可知，對同一斜流泵裝置，同一水泵揚程下，飛逸轉(zhuǎn)速隨著葉片安放角度的增加而減小.在最大揚程內(nèi)不同葉片安放角下，原型斜流泵最大飛逸轉(zhuǎn)速均未超過額定轉(zhuǎn)速的2.0倍.同一葉片安放角時，斜流泵飛逸轉(zhuǎn)速均隨著水泵揚程的增加而增加.不同葉片安放角度，模型斜流泵單位飛逸轉(zhuǎn)速不同，單位飛逸轉(zhuǎn)速隨著葉片安放角度的增加而減小，與飛逸轉(zhuǎn)速變化規(guī)律相同.

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