雙向豎井貫流泵裝置物理模型試驗及分析

袁 堯，金海銀，許旭東，張一祁，楊 帆

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210017；2.江陰市澄江水利農(nóng)機管理服務(wù)站，江蘇無錫 214400；3.揚州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州 225127）

0 引言

豎井貫流泵裝置作為一種常用的低揚程貫流泵站結(jié)構(gòu)型式，廣泛應(yīng)用于我國南水北調(diào)東線工程及城市防洪排澇工程中［1］。豎井貫流泵裝置將電機、齒輪箱安裝于豎井中，流道中軸線從進口至出口呈直線形，流道平順無彎曲，流態(tài)較平穩(wěn)，水力損失小，泵裝置效率高，不但土建工程量小，施工也比較方便，水流從豎井兩側(cè)流過，廠房高度低。雙向豎井貫流泵裝置可應(yīng)用于抽排與引水相結(jié)合的綜合運用工況，適合低洼地區(qū)的實際運用。

對豎井貫流泵裝置的研究，學(xué)者們已開展了研究工作并取得了相應(yīng)的研究成果。文獻［2-4］采用物理模型及數(shù)值模擬技術(shù)對單向豎井貫流泵裝置的內(nèi)流場及水力性能參數(shù)進行了分析研究。文獻［5-7］分析了豎井貫流泵裝置的豎井型線的演化規(guī)律、出水流道結(jié)構(gòu)型式及豎井流道的標準化。文獻［8-9］對前置豎井貫流泵裝置的導(dǎo)葉體位置及流道三維型線優(yōu)化開展了研究工作。文獻［10-11］提出了新型豎井貫流泵裝置的結(jié)構(gòu)型式，并對該新型泵裝置進行了數(shù)值模擬和物理模型試驗的研究分析。當(dāng)前，學(xué)者們對豎井貫流泵裝置的研究主要采用數(shù)值模擬方法，因泵裝置物理模型試驗成本較高且周期長，物理模型試驗被用于泵裝置性能的研究較少，鮮見雙向豎井貫流泵裝置的性能試驗數(shù)據(jù)。

為確保定波水利樞紐雙向豎井貫流泵站的高效、穩(wěn)定和安全運行，且根據(jù)GB 50265—2010第9.1.4節(jié)要求，當(dāng)葉輪直徑大于1.60 m時宜對泵裝置進行物理模型試驗，本文以錫澄運河定波水利樞紐工程為研究背景，對雙向豎井貫流泵裝置進行物理模型試驗，獲取正、反向運行工況時雙向豎井貫流泵裝置的能量性能、汽蝕性能及飛逸特性試驗數(shù)據(jù)，以期為同類泵站的裝置結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)參考。

1 工程概況

1.1 工程組成

錫澄運河定波水利樞紐工程是錫澄運河整治工程的重要組成部分，工程位于錫澄運河與長江交匯口處，是錫澄運河（黃昌河～長江段）整治工程通江口門的重要組成部分。定波水利樞紐工程總體布置采用閘站結(jié)合一字式的布置形式，節(jié)制閘位于河道東側(cè)，泵站及管理區(qū)布置在河道西側(cè)，節(jié)制閘與泵站采用集中緊湊型的合建布置形式。定波水利樞紐工程主要功能是聯(lián)合河道治理擴大區(qū)域洪水北排長江的能力，提高武澄錫虞區(qū)防洪除澇能力，增強區(qū)域引江能力和水資源調(diào)控能力，增強區(qū)域河網(wǎng)水動力，提高區(qū)域水環(huán)境容量。

1.2 泵站主要設(shè)計參數(shù)

定波水利樞紐工程雙向豎井貫流泵站具有正向排水、反向引水的功能，泵站設(shè)計總排水流量為120 m3/s，采用4臺豎井貫流泵機組，單機流量為30 m3/s，葉輪直徑為3 000 mm，采用快速閘門斷流，液壓啟閉機啟閉，配4臺10 kV同步電動機，單機功率為1 600 kW，總裝機容量6 400 kW。泵站流道采用豎井流道和平直管流道，在正向運行時，雙向豎井貫流泵裝置以豎井流道為進水流道，平直管流道為出水流道；在反向運行時，平直管流道為進水流道，豎井流道為出水流道，雙向豎井貫流泵裝置的三維模型如圖1所示。定波水利樞紐泵站運行水位及特征揚程見表1（表中總揚程為凈揚程與攔污柵、門槽水力損失之和）。

圖1 雙向豎井貫流泵裝置三維模型

表1 泵站運行水位及特征揚程組合 m

2 泵裝置模型試驗

2.1 泵裝置物理模型

雙向豎井貫流泵裝置的模型幾何比尺為1：10，雙向貫流泵水力模型采用揚州大學(xué)江蘇省水利動力工程重點實驗室研發(fā)的SZM35，模型泵葉輪名義直徑D為300 mm。葉輪的輪轂比為0.40，葉片數(shù)為4，葉輪模型如圖2（a）所示。導(dǎo)葉體的輪轂直徑為120 mm，葉片數(shù)為5，導(dǎo)葉體模型如圖2（b）所示。葉輪室定位面與導(dǎo)葉體軸向跳動0.10 mm，輪轂外表面徑向跳動0.08 mm，葉頂間隙控制在0.20 mm以內(nèi)，均滿足SL 140—2006的規(guī)定要求。

圖2 雙向豎井貫流泵裝置物理模型

2.2 試驗內(nèi)容

（1）5 種葉片安放角（-8°，-6°，-4°，-2°，0°）時雙向豎井貫流泵裝置模型在正、反向運行工況下能量性能試驗。

（2）5 種葉片安放角（-8°，-6°，-4°，-2°，0°）時雙向豎井貫流泵裝置模型在正、反向5個特征揚程工況的空化性能試驗。

（3）3種葉片安放角（-8°，-4°，0°）時雙向豎井貫流泵裝置模型正、反向飛逸特性試驗。

雙向豎井貫流泵裝置物理模型試驗按照SL 140—2006［13］的規(guī)定要求進行，其中 6.1.3節(jié)規(guī)定：每個葉片安放角的泵裝置能量性能試驗點不少于15個測點，臨界汽蝕余量的確定按流量保持常數(shù)，改變有效汽蝕余量NPSHa值至效率下降1%確定。

2.3 高精度水力機械試驗系統(tǒng)

泵裝置物理模型性能試驗在江蘇省高校重點實驗室的高精度水力機械試驗臺上進行，該試驗臺的綜合不確定度為±0.39%，符合SL 140—2006的精度要求，試驗臺如圖3所示。該試驗臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，管路總長為60.0 m，主體管道直徑為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(tǒng)水體積為50 m3。

圖3 高精度水力機械試驗臺

2.4 試驗方法

泵裝置模型的流量采用電磁流量計直接測量，采用直流整流器調(diào)節(jié)模型泵裝置試驗電機轉(zhuǎn)速，泵裝置模型試驗的額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min。

泵裝置揚程為泵裝置進出口兩測壓斷面的總能頭差，測壓斷面如圖4所示，圖中1-1斷面為進口測壓斷面，2-2斷面為出口測壓斷面。總水頭差等于2個斷面靜壓差與動壓差的代數(shù)和，如下式所示：

圖4 測壓斷面示意

由于進、出口測壓斷面過水?dāng)嗝娣e基本相等，且流速很小，因此，動壓差近似為零。

泵軸的轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩，由安裝于驅(qū)動電機和水泵軸之間的JC1A200型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器直接測得。軸功率由下式計算：

式中 n——模型泵試驗轉(zhuǎn)速，r/min；

M——模型泵輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；

M'——模型泵機械損失轉(zhuǎn)矩，N·m。

空化性能試驗是在保持流量不變，通過封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)抽真空，逐步減小系統(tǒng)壓力的方法，使泵內(nèi)發(fā)生汽蝕。不同系統(tǒng)壓力下的泵裝置有效汽蝕余量值由下式計算：

式中 NPSHa—— 空化余量，m；測試過程中，流量保持常數(shù)，效率下降1%確定為臨界汽蝕余量；

Pav—— 泵裝置進水箱測壓點的絕對壓強，Pa；

Pv——試驗水溫下水的飽和蒸汽壓強，Pa；

h —— 絕對壓力變送器高于貫流泵葉片旋轉(zhuǎn)中心線（泵軸）的高度值，m。

飛逸試驗水頭由輔助泵提供，測得不同水頭下模型泵裝置反轉(zhuǎn)且輸出力矩為零時的轉(zhuǎn)速和流量。飛逸特性可用單位轉(zhuǎn)速和單位流量表示，按下式計算：

nR——H值下測得的轉(zhuǎn)速，r/min；

D ——葉輪名義直徑，m；

H ——上下游總水頭差，m；

QR——H值下測得的流量，m3/s。取出當(dāng)單位轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定時的數(shù)值作為單位飛逸轉(zhuǎn)速。原型泵不同揚程點的實際飛逸轉(zhuǎn)速可由下式確定：

式中 nR，P——原型泵的實際飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；

HP——原型泵工作點的揚程，m；

DP——原型泵葉輪直徑，m。

水泵裝置模型效率為扣除機械損失轉(zhuǎn)矩后的數(shù)值，由下式計算：

式中 η ——水泵裝置模型效率，%；

ρ ——試驗實時水體密度，kg/m3；

g ——當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s2；

Q ——模型泵裝置流量，m3/s；

H'——模型泵裝置揚程，m。

3 模型試驗結(jié)果

3.1 能量性能試驗結(jié)果

雙向豎井貫流泵裝置模型的能量性能試驗共測試了 5 種葉片安放角（-8°，-6°，-4°，-2°，0°）時正、反向工況的雙向豎井貫流泵裝置的能量性能，5種葉片安放角時雙向豎井貫流泵裝置的最優(yōu)工況性能參數(shù)見表2，3。

表2 雙向豎井貫流泵裝置最優(yōu)工況性能參數(shù)（正向運行）

表3 雙向豎井貫流泵裝置最優(yōu)工況性能參數(shù)（反向運行）

根據(jù)雙向豎井貫流泵裝置物理模型能量性能試驗測試結(jié)果可得定波泵站雙向豎井貫流泵裝置模型的綜合特性曲線，正、反向工況時泵裝置模型綜合特性曲線如圖5，6所示。

圖5 雙向豎井貫流泵裝置模型綜合特性曲線（正向運行）

圖6 雙向豎井貫流泵裝置模型綜合特性曲線（反向運行）

由能量性能試驗結(jié)果可知，在正向設(shè)計揚程3.05 m工況時，雙向豎井貫流泵裝置模型流量為312.62 L/s，泵裝置效率為70.95 %，此時葉片安放角為-4°；在流量220～330 L/s范圍內(nèi)，雙向豎井貫流泵裝置效率均高于67%，該泵裝置的高效區(qū)運行范圍較寬；采用等效率換算準則，對應(yīng)原型泵裝置正向設(shè)計揚程3.05 m工況時，原型泵裝置的流量為31.26 m3/s，高于設(shè)計流量30 m3/s的運行要求，滿足設(shè)計要求。

在反向設(shè)計揚程1.43 m工況時，泵裝置模型的流量為301.64 L/s，泵裝置效率達57.39 %；對應(yīng)原型泵裝置反向揚程1.43 m工況時，流量為30.16 m3/s。

3.2 空化性能試驗

泵裝置模型的空化試驗采用定流量的能量法，取泵裝置模型效率較其性能點效率下降1%的有效汽蝕余量作為臨界汽蝕余量（以葉輪中心為基準）。

選擇 5 種葉片安放角（-8°，-6°，-4°，-2°，0°）的雙向豎井貫流泵裝置進行正反向運行工況的空化性能試驗，圖7示出正向運行時泵裝置模型空化特性曲線，圖8示出反向模型水泵裝置空化特性曲線。

圖7 模型泵裝置空化特性曲線（正向運行）

圖8 模型泵裝置空化特性曲線（反向運行）

在葉片安放角-4°時，泵裝置原型在正、反向設(shè)計揚程3.05 m與1.43 m工況時汽蝕性能優(yōu)異，臨界必需汽蝕余量均低于8 m。

3.3 泵裝置性能綜合不確定度

3.3.1 試驗臺的系統(tǒng)不確定度

測試流量、揚程、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等所用的電磁流

量計、差壓變送器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器均經(jīng)過國家認可的計量標定部門檢定，標定時間均在有效期內(nèi)。試驗臺泵裝置性能效率測試的系統(tǒng)不確定度為各單項系統(tǒng)不確定度的方和根，即：

式中 （Eη）s—— 系統(tǒng)不確定度，%；

EQ—— 流量測量的系統(tǒng)不確定度，標定結(jié)果全量程為±0.18%；

EH—— 靜揚程測量的系統(tǒng)不確定度，標定結(jié)果全量程為±0.20%；

EM—— 轉(zhuǎn)矩測量的系統(tǒng)不確定度，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器不確定度為±0.20%；

En—— 轉(zhuǎn)速測量的系統(tǒng)不確定度，當(dāng)測量系統(tǒng)的采樣周期為2 s，轉(zhuǎn)速不小于1 000 r/min時，不確定度為±0.05%。

3.3.2 效率測試的隨機不確定度

以設(shè)計揚程工況時泵裝置模型效率測量的離散程度（見表4）進行不確定度計算，計算式為：

其中

式中 （Eη）r——隨機不確定度，%；

t0.95（N-1）—— 對應(yīng)于 0.95 置信率和（N-1）個自由度的t分布值，t=2.26；

ηi——第次效率測量值；

N ——測量次數(shù)。

表4 泵裝置模型實測效率數(shù)據(jù)

3.3.3 效率測試綜合不確定度

泵裝置模型效率測試綜合不確定度為系統(tǒng)不確定度和隨機不確定度的方和根，即：

雙向豎井貫流泵裝置模型試驗的效率綜合不確定度滿足 SL 140—2006［13］的要求。

3.4 飛逸性能試驗

通過對高精度水力機械試驗臺測試系統(tǒng)的切換，調(diào)節(jié)輔助泵使水泵運行系統(tǒng)反向運轉(zhuǎn)，扭矩儀不受力，測試 3 個葉片安放角（-8°，-4°，0°）不同揚程下模型泵的轉(zhuǎn)速。

正向運行工況時，在各葉片安放角下雙向豎井貫流泵裝置的單位飛逸轉(zhuǎn)速見表5，得到各角度下原模型泵飛逸轉(zhuǎn)速見表6。根據(jù)試驗結(jié)果整理可得定波水利樞紐原型泵正向飛逸特性曲線，如圖9所示。

表5 各葉片安放角時模型泵單位飛逸轉(zhuǎn)速（正向運行）

表6 各葉片安放角時原型泵飛逸轉(zhuǎn)速（正向運行）

圖9 原型泵正向飛逸特性曲線

反向運行工況時，各葉片安放角下雙向豎井貫流泵裝置葉輪的單位飛逸轉(zhuǎn)速見表7，經(jīng)換算各葉片安放角度時原型泵葉輪飛逸轉(zhuǎn)速見表8。根據(jù)試驗結(jié)果整理可得定波水利樞紐原型泵葉輪正向飛逸特性曲線，如圖10所示。

表7 各葉片安放角下的模型泵葉輪單位飛逸轉(zhuǎn)速（反向運行）

表8 各葉片安放角下原型泵飛逸轉(zhuǎn)速（反向運行）

圖10 原型泵反向飛逸特性曲線

4 雙向豎井貫流泵裝置內(nèi)流場分析

為進一步分析雙向豎井貫流泵裝置內(nèi)部流動規(guī)律，采用ANSYS CFX軟件對雙向豎井貫流泵裝置全流道進行三維定常數(shù)值模擬，泵裝置計算工況參數(shù)與物理模型試驗參數(shù)相同，共計算3個工況（0.88Qd，Qd和1.22Qd，其中Qd為設(shè)計流量），數(shù)值計算選用RNG k-ε湍流模型，該湍流模型已被應(yīng)用于豎井貫流泵裝置內(nèi)流場的分析中［3，6］，邊界條件設(shè)置及計算方法參照文獻［2-4，6］，本文不再贅述，經(jīng)泵裝置網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性分析，以效率為判斷參數(shù)，泵裝置總網(wǎng)格單元數(shù)量為338萬。

當(dāng)雙向豎井貫流泵裝置的豎井流道作為進水流道，平直管流道作為出水流道時，泵裝置整體水力性能優(yōu)異，對于雙向豎井貫流泵站的運行，主要問題在于雙向豎井貫流泵裝置反向運行時，豎井流道作為出水流道是否能滿足設(shè)計要求，以泵裝置反向運行工況為基礎(chǔ)，對雙向豎井貫流泵裝置內(nèi)流場進行分析，不同反向運行工況時豎井流道內(nèi)流場如圖11所示。在雙向豎井貫流泵裝置反向運行各工況時，豎井流道為出水流道時，豎井流道擴散段內(nèi)部流態(tài)相對較好，水流擴散均勻，未產(chǎn)生大尺度的偏流。不同正向運行工況時，雙向豎井貫流泵裝置內(nèi)部流場如圖12所示，豎井流道作為進水流道時，流道內(nèi)部流線平順，無脫流及漩渦產(chǎn)生。

圖11 不同工況時豎井流道內(nèi)部流線（反向運行）

圖12 不同工況時豎井流道內(nèi)部流線圖（正向運行）

5 結(jié)論

（1）在葉片安放角-4°時，雙向豎井貫流泵裝置正向設(shè)計揚程3.05 m時，泵裝置流量為312.62 L/s，泵裝置效率為70.95%；最高運行揚程超過4.0 m，滿足定波水利樞紐雙向泵裝置正向最大揚程3.29 m的運行要求。反向設(shè)計揚程為1.43 m時，泵裝置流量為301.64 L/s，泵裝置效率為57.39%；對應(yīng)原型泵裝置反向揚程為1.43 m時，流量為30.16 m3/s；泵裝置最高運行揚程超過4.0 m，滿足定波水利樞紐雙向泵反向最大揚程2.87 m的運行要求。

（2）在葉片安放角-4°時，正、反向設(shè)計揚程范圍內(nèi)，雙向貫流泵葉輪的臨界必需汽蝕余量均低于8 m，滿足正、反向運行時定波水利樞紐雙向貫流泵葉輪對臨界必需汽蝕余量的要求。

（3）正向運行最高凈揚程2.99 m工況時，原型泵葉輪最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.50倍；反向運行最高凈揚程2.57 m工況時，原型泵葉輪最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.13倍。葉片安放角越小，單位飛逸轉(zhuǎn)速越高。