魏村樞紐擴容改建工程雙向立式泵裝置模型試驗及流場分析

王強，袁堯，呂玉婷，陳玉龍，李彥軍，楊帆

（1.常州市水利規劃設計院，江蘇常州 213002；2.江蘇省水利科學研究院，江蘇南京 210000；3.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州 225009；4.常州市水利建設投資開發有限公司，江蘇常州 213000；5.江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心，江蘇鎮江 210031）

0 引言

箱涵式雙向立式泵裝置是實現雙向抽水功能的重要泵站裝置結構型式之一，其具有在滿足城市灌排水功能需求的同時又能大幅降低工程投資的優點［1］。近年來，箱涵式雙向立式泵裝置在我國沿江濱湖地區得到了廣泛地使用，學者們已對該泵裝置的水力性能及結構開展不少的研究工作并取得了系列研究成果［2-6］，如：周偉等［2］以澡港泵站的開敞式雙向流道泵裝置為研究對象，采用數值計算方法分析了泵裝置內流場并異化了出水錐管。黃良勇等［3］對雙向進水流道的喇叭口懸空高和雙向出水流道的擴散喇叭管出口高度進行了多方案優選，經模型試驗在低揚程3.26 m 時泵裝置效率達71.2%。楊帆等［4，5］分別采用數值模擬技術分析了雙向立式軸流泵裝置的流道內流特性、擴散導葉體對泵裝置性能的影響并通過物理模型試驗分析了雙向立式軸流泵裝置的脈動特性。王麥琪等［6］以引江濟淮樅陽站泵裝置模型為研究對象，采用CFX 軟件分析了泵裝置的飛逸特性，獲得了不同揚程時泵裝置的流量和飛逸轉速。通過對已有現有文獻資料的分析，學者們對泵裝置性能的研究主要采用數值模擬和模型試驗兩種方法［7-12］，其中數值模擬的方法被采用的較多，數值模擬方法的有效性仍需通過物理模型試驗給予驗證［13，14］。為確保魏村樞紐擴容改建工程泵站的高效安全穩定運行，依據《泵站設計規范（GB50265-2010）》的規定并結合當前泵裝置的研究方法，針對該泵站雙向抽水的功能需求，采用物理模型試驗和數值模擬相結合的方法分析了雙向立式軸流泵裝置的水力性能。

1 工程概況

魏村水利樞紐是國家治太骨干工程湖西引排的主要工程之一，在區域乃至流域防洪、排澇、灌溉、航運及水環境保護等方面發揮了重要作用，工程引水灌溉14 萬畝，排澇面積133 km2。樞紐擴容改建工程由船閘、節制閘和泵站組成，泵站和節制閘采用閘站結合布置形式。泵站為大（2）型泵站，設計排水流量為160 m3/s，設計引水流量為60 m3/s，采用5 臺套立式軸流泵機組，配2 600 kW 立式同步電機，總裝機容量13 000 kW，葉輪直徑為3 100 mm，轉速為125 r/min，葉片角度采用液壓全調節方式，采3 臺機組為雙向立式軸流泵機組，2 臺機組為單向立式軸流泵機組。泵站運行水位如表1 所示，其中泵站揚程已考慮了攔污柵及門槽水力損失0.2 m、流道出口水位雍高及過柵水力損失0.1 m。魏村樞紐擴容改建工程的雙向立式軸流泵裝置的泵房剖面示意圖如圖1所示。

圖1 泵房剖面圖Fig.1 Pump room profile

表1 泵站運行水位組合表Tab.1 Water Level Combination Table of Pumping Station

2 泵裝置模型試驗

2.1 泵裝置物理模型及試驗內容

魏村樞紐擴容改建工程泵站雙向立式軸流泵裝置的原模型結構幾何尺寸比尺為10.5，模型泵裝置葉輪選用TJ04-ZL-06，葉輪的葉片數為3，模型泵葉輪名義直徑為300 mm，葉頂平均間隙為0.15 mm，試驗轉速為1 312.5 r/min，導葉體的葉片數為6。箱涵式雙向進水流道長為13.022D（D為葉輪的名義直徑），流道進口凈高為1.365D，流道進口凈寬為2.857D；箱涵式雙向出水流道長為13.022D，流道出口凈高為1.397D，流道出口凈寬為2.857D。箱涵式雙向進出水流道采用Q235 鋼板焊接制作，內壁加涂層以滿足粗糙度相似。

雙向立式軸流泵裝置物理模型試驗在江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心的水力機械四象限多功能試驗臺上進行，試驗臺示意圖如圖2所示，該試驗臺泵裝置效率綜合允許不確定度優于±0.30%，試驗臺最大試驗揚程為100 m，最大試驗流量為1 000 L/s，試驗轉速最大為1 500 r/min。流量數據通過德國科隆智能電磁流量計測取，揚程數據通過日本橫河EJA 智能差壓變送器測取，真空度通過日本橫河EJA 智能絕壓變送器測取，轉速和轉矩的數據通過NJL2/500N·m 智能型轉矩轉速傳感器測取。

圖2 水力機械四象限多功能試驗臺Fig.2 Hydraulic machinery four quadrant multifunctional test rig

魏村樞紐擴容改建工況的泵站裝置物理模型試驗內容主要有泵裝置的能量性能、空化性能及飛逸性能試驗，試驗的葉片安放角有-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°和+4°。泵裝置模型試驗按照歐拉準則進行，設計工況時泵裝置物理模型雷諾數大于106，試驗條件滿足參考文獻［15］的要求。泵裝置能量性能試驗、空化性能試驗和壓力脈動特性試驗均按照參考文獻［15］中的試驗要求進行。

2.2 模型試驗結果

2.2.1 能量性能試驗結果

經測試，在7 個葉片安放角范圍內雙向立式軸流泵裝置最高效率為74.26%，此時泵裝置流量為243.05 L/s，泵裝置揚程為3.981 m，葉片安放角為-6°；在葉片安放角-8°、-4°、-2°和0°時，泵裝置最高效率均超過73%，分別為73.82%、73.89%、73.65%和73.14%；在葉片安放角+2°和+4°時，泵裝置最高效率分別為72.47%和71.83%。不同葉片安放角下泵裝置設計揚程和泵裝置最大揚程時泵裝置模型性能參數如表2 所示，采用等效率換算至原型泵裝置，在泵站排澇設計揚程4.71 m 時，葉片安放角+2°原型泵裝置單機流量為32.79 m3/s，滿足單機設計流量32 m3/s 的要求，此時泵裝置效率為72.15%；在泵裝置排澇最大揚程5.25 m 時，原型泵裝置單機流量為30.39 m3/s，此時泵裝置效率為69.84%。泵裝置物理模型綜合特性曲線如圖3所示。

表2 不同泵裝置特征揚程時泵裝置模型性能參數Tab.2 Performance parameters of pump device model with different characteristic head

圖3 雙向立式泵裝置模型綜合特性曲線Fig.3 Comprehensive characteristic curve of bidirectional vertical pump device model

2.2.2 空化性能試驗結果

不同葉片安放角時泵裝置必需汽蝕余量如圖4 所示，相同葉片安放角時，在流量150～450 L/s 范圍內必需汽蝕余量NPSHc隨流量的增加呈先減小后增大的趨勢。在相同流量時，必需汽蝕余量隨葉片安放角的增加而增加。在泵裝置排澇最大揚程5.25 m，葉片安放角+2°時，水泵的淹沒深度滿足泵最大必需汽蝕余量9.35 m的要求。

圖4 泵裝置必需汽蝕余量曲線Fig.4 The required cavitation amount curve of pump device

2.2.3 飛逸性能試驗結果

不同葉片安放角時泵裝置的單位飛逸轉速變化曲線如圖5所示，采用文獻［12］原模型飛逸轉速換算方法，在葉片安放角-8°、泵裝置排澇最大揚程5.25 m 時，原型泵的飛逸轉速213.11 r/min 是其額定轉速的1.705 倍；在泵裝置引水最大揚程4.41 m時，原型泵的飛逸轉速195.32 r/min是其額定轉速的1.563倍，水泵和電動機制造廠家需按照1.8 倍額定轉速校核水泵和電動機的強度。隨著葉片安放角α的增大，單位飛逸轉速逐漸減小。

圖5 泵裝置單位飛逸轉速曲線Fig.5 The unit runaway speed of pump device

2.2.4 流道內流場分析

為進一步明確雙向立式軸流泵裝置的流道內流規律，采用數值模擬技術對魏村樞紐擴容改建工程泵站的原型裝置進行全流道流場計算，葉輪名義直徑為3 150 mm，轉速為125 r/min，葉片安放角為0°。雙向立式軸流泵裝置的計算域包括前池、箱涵式雙向進水流道、葉輪、導葉體和箱涵式雙向出水流道和出水池共6 個部分，泵裝置內流場的數值計算方法參考文獻［12-14］，這里不再贅述。在引水工況時箱涵式雙向進水流道內水流流動的雷諾數為1.419×107，箱涵式雙向出水流道內水流流動的雷諾數為1.287×107，在排澇工況時進出水流道的雷諾數均大于引水工況，流道內水流處于阻力平方區。泵裝置的數值計算以泵裝置排澇設計揚程工況進行計算，泵裝置排澇設計揚程為4.71 m，單機組設計流量為32 m3/s。為驗證網格數量對泵裝置數值計算結果的影響，對雙向立式泵裝置各過流結構進行非結構化網格剖分，共采用了7 組網格數量分別為1 023 687，1 357 451，1 795 147，2 547 893，2 736 478和3 498 132對泵裝置進行網格數量無關性分析，對比分析不同網格數量時泵裝置的效率，在泵裝置網格數量達到254 793、2 736 478及3 498 132時，泵裝置效率的差值因網格數量的變化均小于0.2%，本次數值計算網格數量選取2 736 478，泵裝置數值計算網格如圖6所示。

圖6 泵裝置網格圖Fig.6 Grid diagram of pump device

在泵裝置排澇設計揚程4.71 m 時，雙向立式軸流泵裝置的流場如圖7 所示，流道內水流的流動可分為2 個階段，一是在流道內從四面向喇叭管進口的匯集流動階段，二是水流進入喇叭管后的流場調整階段；在匯集流動階段，一部分水流從喇叭管前直接進入喇叭管，一部分水流繞至兩側進入喇叭管，還有一部分水流則繞至蝸殼后部進入喇叭管；由于箱涵式雙向進水流道的后壁空間很大，在后壁處存在大范圍的滯水區，流道的流態總體上符合收縮均勻、轉向有序的基本要求。在泵裝置排澇設計揚程時，箱涵式雙向進水流道出口面的軸向速度分布均勻度為95.01%，速度加權平均角為87.16°，流道的水力損失為0.227 m。箱涵式雙向出水流道的水力損失為0.576 m，是進水流道水力損失近2.54 倍，占泵裝置排澇設計揚程的12.23%，出水流道的水力損失對泵裝置水力效率的影響較大。水力損失是流道內部流動的外在體現，為進一步分析箱涵式雙向出水流道的內流特征，截取出水流道的6個特征斷面，各特征斷面的流場如圖8 所示，其中斷面1-1、斷面2-2 和斷面3-3 為橫斷面，以出水流道底部為基準面，各斷面距基準面的距離分別為：斷面1-1 為0.182D、斷面2-2 為0.627D、斷面3-3 為1.077D；斷面4-4、斷面5-5 和斷面6-6 為縱斷面，以出水流道水平中心線為基準，各斷面距基準面的距離分別為：斷面4-4 為1.01D、斷面5-5為0.0D，斷面6-6為-1.01D。在排澇設計工況時，箱涵式雙向出水流道的內流場受導葉體出口剩余環量的影響較大，水流呈螺旋狀進入出水流道，在喇叭管和后導水錐構成的通道內邊旋轉邊向四周擴散，流出喇叭管與導水錐構成的通道的水流向四周輻射狀急劇轉向并擴散，一部分水流向后壁流動，由于后壁空間較大，在后壁存在大范圍的滯水區；一部分水流向左右兩側壁流動，受側壁的阻擋影響，水流在立面上形成旋渦，后壁和兩側壁的水流在落到流道下半部以后轉向流道出口流動，還有一部分水流直接向流道出口流動，水流經直線段調整后流向出水池。流道的內部流態滿足穩定、高效運行的要求。在排澇設計工況時，進出水流道的全部水力損失占泵裝置揚程的17.05%。

圖7 雙向立式泵裝置流場圖（排澇設計工況）Fig.7 Flow field diagram of pump device（Drainage design condition）

圖8 箱涵式雙向出水流道的流場圖（排澇設計工況）Fig.8 Flow field diagram of bidirectional outlet conduit（Drainage design condition）

4 結論

（1）魏村樞紐擴容改建工程雙向立式軸流泵裝置的箱涵式雙向進水流道內部流態較好未見附底渦等不良流動現象，箱涵式雙向出水流道的盲端存在較大范圍的旋渦區，排澇設計工況時進出水流道的總水力損失占泵裝置揚程的17.05%。箱涵式雙向進水流道和箱涵式雙向出水流道的主要控制尺寸能滿足泵站工程設計要求且水力性能較好。

（2）在葉片安放角-8°～+4°試驗范圍內，雙向立式軸流泵裝置最高效率為74.26%。在泵裝置排澇設計揚程4.71 m 時，葉片安放角+2°原型泵裝置單機流量為32.79 m3/s，滿足單機設計流量要求，泵裝置效率為72.15%；在泵裝置排澇最大揚程5.25 m 時，原型泵裝置單機流量為30.39 m3/s，此時泵裝置效率為69.84%。

（3）在相同流量時，隨著葉片安放角的增加必需汽蝕余量也增加。在泵裝置排澇最大揚程5.25 m，葉片安放角+2°時，水泵的淹沒深度滿足最大必需汽蝕余量9.35 m 的要求。在葉片安放角-8°下，泵裝置排澇最大揚程5.25 m 時，原型泵的飛逸轉速是其額定轉速的1.705倍，為213.11 r/min。