通呂運河水利樞紐工程貫流泵裝置模型試驗分析

楊建峰，王鐵力，張一祁，周亞軍，楊 帆

(1.南通城市建設(shè)集團有限公司，江蘇 南通 226000；2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；3.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

豎井貫流泵裝置因其具有流道順直，結(jié)構(gòu)簡單和水力損失小等優(yōu)點，是一種常用的超低揚程貫流泵裝置形式[1]。豎井貫流泵站這一類型最早被成功應(yīng)用于江蘇太湖流域的裴家圩泵站[2]，此后，這一類型的泵站在全國各地廣泛應(yīng)用，尤其是東部發(fā)達地區(qū)，如江蘇、浙江、廣東先后建立了一批豎井式貫流泵站且運行良好。

豎井貫流泵裝置作為一種常見的形式，部分學者已經(jīng)從不同角度開展了相關(guān)的研究，并取得了相應(yīng)的研究成果。文獻[3-5]主要針對雙向豎井貫流泵裝置，采用CFD模擬等方式，對泵裝置內(nèi)部流動特性進行了分析。文獻[6-8]針對前置豎井貫流泵裝置內(nèi)部流動特性進行了數(shù)值分析。文獻[9]提出了一種采用了虹吸式出水流道作為其出水流道的新型豎井貫流泵裝置。文獻[10-13]以工程為背景，開展了豎井貫流泵裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化及內(nèi)流特性分析。根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范(GB50265-2010)》的要求，為確保該類型泵站高效、穩(wěn)定和安全運行，高效地運行并發(fā)揮經(jīng)濟和社會效益，需進行泵裝置物理模型試驗，當前物理模型試驗也是確定泵站高效安全穩(wěn)定運行的常用方法之一[15,16]。

本文為通呂運河水利樞紐工程貫流泵裝置模型試驗，其結(jié)果僅適用于該工程，對其他采用工程貫流泵裝置的類似工程有一定的參考作用。

1 工程概況

通呂運河水利樞紐工程位于通呂運河上游，距長江口約2.2 km。工程建設(shè)的主要任務(wù)是在自流引江不能滿足區(qū)域用水需求時，利用泵站進行引水，以滿足供水區(qū)域的用水需要[17]。

通呂運河泵站設(shè)計引水流量100 m3/s，設(shè)置豎井式貫流泵機組3臺，采用塊基型泵房結(jié)構(gòu)，原型泵葉輪直徑為3 300 mm，轉(zhuǎn)速為110 r/min，單機設(shè)計流量為33.3 m3/s，配套電機功率為1 600 kW，泵與電機采用齒輪箱連接。泵站最大總揚程為3.70 m，設(shè)計總揚程為1.98 m，最小總揚程為0.25 m。

2 模型泵裝置實驗

2.1 試驗內(nèi)容

試驗內(nèi)容包括水泵在5個葉片安放角度(-4°、-2°、0°、+2°和+4°)下的水泵裝置能量特性試驗、空化特性試驗和飛逸特性試驗。

試驗依據(jù)的標準為：GB/T 3216-2016《回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗收試驗 1級、2級和3級》、SL140-2006《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》、JIS B8327-2013《利用模型泵測試泵性能的試驗方法》等國內(nèi)外執(zhí)行標準。

2.2 試驗要求

(1)能量性能試驗：在無空化條件下進行，泵裝置葉片調(diào)節(jié)角度范圍為-4°～+4°，葉片角度間隔不大于2°。每個葉片角度的試驗點數(shù)不少于15點。所有能量試驗均在無空化條件下進行，能量特性試驗的范圍應(yīng)涵蓋泵站運行工況范圍。

(2)空化特性試驗：依據(jù)SL140-2006有關(guān)規(guī)定，采用固定流量的能量法進行水泵裝置模型的空化試驗。臨界空化余量NPSHc以水泵葉輪中心為基準，取水泵效率降低1%時的空化余量NPSH。進行空化性能試驗時，對每個葉片角度進行不少于3個流量點的空化試驗，并繪出泵裝置模型和原型的空化曲線，

(3)飛逸特性試驗：對通呂運河泵站水泵裝置進行飛逸特性試驗，利用輔助泵的反作用水頭沖擊水泵葉輪，測試水泵作為水輪機工況反轉(zhuǎn)甩負荷工況下的轉(zhuǎn)速和流量，每一葉片角度下的測試工況點不少于3個。計算水泵裝置的單位流量和單位轉(zhuǎn)速，并進行換算，得出換算后的原型水泵裝置數(shù)據(jù)。最后繪制原型水泵裝置的飛逸特性曲線。

2.3 水泵模型、水泵裝置模型及試驗系統(tǒng)

2.3.1 水泵模型

通呂運河泵站的水力模型為TJ04-ZL-07水力模型，模型泵葉輪為青銅材質(zhì)制作，與南水北調(diào)工程試驗相同。模型泵葉輪直徑為300 mm，輪轂直徑為110 mm，葉輪的葉片數(shù)為3，導葉數(shù)為6，輪轂比0.367。

2.3.2 水泵裝置模型

通呂運河泵站模型水泵裝置包括豎井進水流道、模型水泵和出水流道。為方便觀測水泵空化現(xiàn)象，分別在水泵葉輪室設(shè)置了兩個透明有機玻璃觀測窗。模型水泵裝置與原型保持幾何相似，進出水流道用5 mm厚鋼板焊接，加工精度及尺寸允許偏差滿足招標文件要求，不大于規(guī)范SL140-2006規(guī)定的允許偏差值。進出水流道內(nèi)磨光噴聚氨酯漆，原型與模型流道滿足阻力相似，即：

式中：λλ、λD分別為沿程阻力系數(shù)比尺和幾何比尺。

模型試驗裝置除模型水泵裝置外，還包括皮帶輪傳動機構(gòu)、測功扭矩儀、直流調(diào)速電機等。測功扭矩儀和皮帶輪傳動裝置安裝在豎井中，調(diào)速直流電機通過三角皮帶傳遞動力。模型水泵試驗裝置軸系的設(shè)計滿足模型泵在額定試驗轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行要求，安裝在試驗臺上的模型水泵裝置如圖1所示。

圖1 豎井貫流泵裝置物理模型

2.3.3 試驗臺布置

試驗臺為封閉循環(huán)系統(tǒng)，如圖2所示。包括水力循環(huán)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)五部分組成。試驗臺主要工作參數(shù)為：揚程：-6～21 m；流量：0.0～0.5 m3/s；轉(zhuǎn)矩：0～500 N·m；轉(zhuǎn)速：0～1 500 r/min。

圖2 高精度泵站試驗臺示意圖

2.4 試驗方法

通呂運河泵站裝置模型試驗按歐拉準則(即Eu=C)進行，設(shè)計工況下的模型水泵裝置雷諾數(shù)Re>1×106。

通呂運河泵站原型轉(zhuǎn)輪直徑為Dp=3 300 mm，模型泵轉(zhuǎn)輪直徑Dm=300 mm，故模型幾何比尺為：

λD=11.0

(1)

招標文件中的原型水泵轉(zhuǎn)速為np=110 r/min，按照npDp=nmDm可算得模型水泵裝置試驗的額定轉(zhuǎn)速：

(2)

試驗中，通過直流電機的直流控制器將通呂運河泵站的水泵裝置模型試驗轉(zhuǎn)速調(diào)至nm=1 210 r/min，水泵能量特性試驗和空化試驗中均保持此轉(zhuǎn)速不變。

根據(jù)相似理論，泵裝置動力特性參數(shù)的比尺為：

揚程：λH=λn2λD2=1

(3)

流量：λQ=λnλD3=121

(4)

功率：λP=λn3λD5=121

(5)

2.4.1 能量特性試驗

水泵裝置的流量采用DN400高精度電磁流量計測量。如圖3所示，在進水箱1-1位置為水泵裝置進口測壓斷面，出水箱2-2位置為出口測壓斷面。計算式參照參考文獻[19]，凈揚程H為：

圖3 測壓斷面示意圖

(6)

按照試驗規(guī)程，測量模型泵裝置的軸轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速時應(yīng)采用測功扭矩儀測量，在計算時扣除空載轉(zhuǎn)矩。功率由下式計算：

(7)

式中：Pm為軸功率，kW；nm為轉(zhuǎn)速，r/min；Mm為水泵軸輸入軸轉(zhuǎn)矩，N·m；M0m為水泵軸空載轉(zhuǎn)矩，N·m。計算式參照參考文獻[12]，水泵裝置效率試驗值按下式計算：

(8)

2.4.2 空化特性試驗

空化特性試驗計算式參照參考文獻[12]由下式計算：

(9)

2.4.3 飛逸特性試驗

水泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速是指水泵在水輪機工況運行狀態(tài)，且輸出力矩近似為零時的轉(zhuǎn)速。計算式參照參考文獻[18]，由下式算得：

(10)

(11)

3 模型試驗結(jié)果

3.1 能量特性試驗

模型試驗測試了水泵葉片5個不同的角度(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)下的水泵裝置能量特性。在同一轉(zhuǎn)速，相同工況下，揚程隨著葉片安放角度的增加而逐漸加大各角度最優(yōu)工況參數(shù)如表1所示。根據(jù)實驗結(jié)果整理，模型(D=300 mm，n=1 210 r/min)泵裝置綜合特性曲線見圖4。

圖4 通呂河泵站模型泵裝置綜合特性曲線

表1 通呂河泵站模型泵裝置性能試驗最優(yōu)效率數(shù)據(jù)表

由試驗結(jié)果可知，在測試的葉片安放角度范圍內(nèi)，泵裝置的最高效率達到79.03%，此時泵裝置揚程為3.30 m，裝置內(nèi)的流量為222.91 L/s，葉片安放角度為-4°。水泵轉(zhuǎn)速104.1r/min，葉片安放角度0°下，在設(shè)計揚程1.98 m時的流量為34.72 m3/s、效率為73.35%。在葉片安放角度-4°、-2°、0°、+2°和+4°時豎井軸流泵裝置的最高效率分別為79.03%、78.94%、77.66%、76.83%和74.85%。

3.2 空化特性試驗結(jié)果

對通呂運河泵站模型水泵裝置進行了5個葉片角度(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)下的水泵裝置空化特性模型試驗。圖5為模型(D=300 mm，n=1 210 r/min)水泵裝置空化特性曲線。

圖5 模型水泵裝置空化特性曲線

試驗結(jié)果表明，在5個葉片安放角度下模型泵裝置的臨界空化余量均小于8.5 m；在葉片角度0°下，設(shè)計揚程1.98 m時，臨界空化余量約為4.05 m；最大揚程3.70 m時，臨界空化余量約為6.29 m。泵裝置的臨界空化余量均隨著流量的增大，先減小后增大。

3.3 飛逸特性試驗結(jié)果

本試驗研究測試了通呂運河泵站水泵裝置5個葉片角度(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)下的飛逸特性，需要注意的是，測定水泵飛逸轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)動部件不包括電動機轉(zhuǎn)子。各葉片角度下的單位飛逸轉(zhuǎn)速如表2，按公式計算得到各角度下原模型泵飛逸轉(zhuǎn)速如表3。根據(jù)試驗結(jié)果整理可得通呂河泵站原型水泵原型水泵飛逸轉(zhuǎn)速特性曲線如圖6所示。

圖6 原型水泵飛逸轉(zhuǎn)速特性曲線

表2 各葉片安放角下的單位飛逸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)

表3 各葉片安放角下原模型泵飛逸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)表(最高凈揚程3.7 m)

試驗結(jié)果表明：飛逸轉(zhuǎn)速隨揚程的增加而增加；泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度增大而減小。在葉片角度為+4°，最高凈揚程為3.70 m時，最小飛逸轉(zhuǎn)速為207.10 r/min，為額定轉(zhuǎn)速1.99倍；在葉片角度為-4°，最高凈揚程為3.70 m時，最大飛逸轉(zhuǎn)速為224.59 r/min，為額定轉(zhuǎn)速2.15倍。

4 結(jié) 論

(1)運行揚程(0～3.5 m)范圍內(nèi)，各葉片安放角時豎井貫流泵裝置均能運行平穩(wěn)，無明顯不良噪音和振動。水泵轉(zhuǎn)速110 r/min，葉片安放角度0°下，在設(shè)計揚程1.98 m時的流量為34.72 m3/s、效率為73.35%。

(3)豎井貫流泵裝置空化余量曲線呈現(xiàn)具有極小值開口向上的曲線。正角度、大流量工況的空化余量相對較大，但在泵站運行揚程范圍內(nèi)空化性能良好。在葉片角度0°下，設(shè)計揚程1.98 m時，臨界空化余量約為4.05 m；最大揚程3.70 m時，臨界空化余量約為6.29 m，均滿足設(shè)計要求。

(4)豎井貫流泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度減小而增大。最大揚程3.70 m，在葉片安放角度0°時，飛逸轉(zhuǎn)速為水泵機組額定轉(zhuǎn)速的2.13倍，達到了222.0 r/min；在葉片角度為-4°時，此時轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速2.15倍，為224.59 r/min。

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