慎江泵站特低揚程大流量豎井貫流泵裝置外特性試驗研究

陸偉剛，周秉南，夏 輝，徐 磊，徐 波*

（1.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州225009；2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州225127）

0 引 言

【研究意義】豎井貫流泵裝置是一種新的水泵裝置形式，其發電機組裝置布置在開敞的豎井內，防潮、通風條件好，具有運行維護方便、機組結構簡易、造價較低的優點，一般應用于低揚程大流量泵站[1-2]。隨著豎井貫流泵裝置的發展，在特低揚程大流量泵站中也開始采用豎井貫流泵裝置。慎江泵站屬于特低揚程大流量泵站，采用前置豎井貫流泵裝置，肩負著區域防洪排澇的重要任務，工程安全極其重要。為確保泵站建成后在運行范圍內能夠安全、穩定以及高效運行，通過模型試驗研究來檢驗前置豎井貫流泵裝置的外特性并提出改進措施。【研究進展】近年來，許多學者對豎井貫流泵裝置的內外特性展開了研究。劉君等[1]利用數值模擬的方法對前、后置豎井貫流泵裝置的內特性進行對比分析，認為前置豎井貫流泵裝置比后置豎井貫流泵裝置具有更好的內特性。顏紅勤[2]介紹了低揚程泵站豎井貫流泵裝置主要參數的確定方法，并利用這些參數對前、后置豎井貫流泵裝置的外特性進行對比分析。謝榮盛等[3]利用數值模擬的方法比較了豎井貫流泵和軸伸貫流泵的水力特性。陳佳琦等[4]提出了一種豎井貫流泵裝置進出水流道規則化的設計方法，并展開了數值模擬和模型試驗研究。徐磊等[5-6]對邳州泵站豎井式貫流泵裝置的內外特性進行研究，得出其外特性性能優異的主要原因在于其具有優異的內特性。也有不少學者[7-12]對豎井貫流泵裝置的進出水流道進行優化設計，并通過模型試驗來檢驗其外特性，驗證了在低揚程大流量泵站中，豎井貫流泵裝置具有優秀的水力特性。而關于豎井貫流泵裝置在特低揚程大流量泵站中的相關研究還是較少。朱紅耕等[13-14]研發了一種新型豎井貫流泵裝置，通過數值模擬得出該豎井貫流泵裝置具有較高的水泵裝置效率，適用于低揚程泵站尤其是超低揚程的城市防洪泵站。徐磊等[15-17]采用三維湍流數值計算的方法對不同類型進出水流道的豎井貫流泵裝置進行了水力設計方案比較，認為前置豎井貫流泵裝置適宜在特低揚程泵站推廣應用。陸偉剛等[18]對豎井貫流泵裝置進行模型試驗研究，認為對于特低揚程泵站，豎井貫流式水泵能量特性較好。【切入點】前人的研究更多是通過數值模擬對豎井貫流泵裝置的水力性能進行預測，對于豎井貫流泵裝置的真實運行情況研究較少。本文以模型試驗研究為切入點，研究豎井貫流泵裝置在特低揚程泵站中的真實運行情況。【擬解決的關鍵問題】本文以慎江泵站為例，對前置豎井貫流泵裝置在特低揚程大流量泵站中的外特性進行模型試驗研究，并對外特性試驗結果進行討論與對比分析，最后提出優化方案并驗證其可行性。研究成果對豎井貫流泵裝置在特低揚程大流量泵站中的應用具有重要的參考價值和借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 工程概況

慎江泵站位于溫州樂清市，是浙江省樂柳虹平原排澇工程的強排泵站。泵站設計凈揚程Hst=0.98 m，計及進口攔污柵污物水力損失，取裝置設計揚程Hsy=1.38 m；最高凈揚程Hstmax=2.76 m，計及進口攔污損失，取裝置最高揚程Hsymax=2.93 m。泵站裝設2臺豎井貫流泵，單泵流量為20 m3/s，設計排澇流量為40 m3/s，水泵葉輪直徑為2.6 m，水泵轉速為110 r/min。泵站采用豎井雙側進水、平直管出水流道，順水流向總長39.32 m。流道寬7.2 m，中隔墩厚度1.0 m，進、出口凈寬6.2 m，快速閘門（帶拍門）斷流。

1.2 模型設計

慎江泵站原型泵葉輪直徑Dn=2.6 m，模型泵葉輪直徑Dm=0.3 m，模型比Dr=Dn/Dm=2.6/0.3=8.667。原模型過流部件幾何相似，尺寸按同一模型比確定。進出水流道以鋼板焊接制作；為滿足糙度相似，鋼制流道內壁加涂層。模型裝置動力機與模型泵以傘齒輪傳動（傳動比1∶1），齒輪箱與模型泵之間裝扭矩儀。流道模型見圖1、圖2，水泵裝置模型見圖3。通過多方案比選及前期研究，水泵模型選擇南水北調同臺測試TJ-07 模型，該模型葉片數3，導葉數5，輪轂尺寸dh=98 mm，并采用豎井貫流泵方案。試驗選取原型泵轉速nn=110 r/min。按nmDm=nnDn條件，模型裝置試驗轉速nm=953.3 r/min。

圖1 流道縱剖面Fig.1 Longitudinal section of runner

圖2 流道平面Fig.2 Flow channel plan

圖3 水泵裝置模型Fig.3 Model drawing of pump installation

1.3 模型試驗系統

慎江泵站泵裝置模型試驗在揚州大學泵站試驗臺進行。泵站試驗臺受試泵進出口過流設施可封閉可開敞，本項為常規能量特性、汽蝕特性、飛逸特性試驗，根據任務要求，試驗采用封閉布置。試驗臺為平面布置式，由水力循環系統、動力及控制系統和測量系統組成。水力系統包括：80 m3開敞貯水池、25 m3真空（壓力）箱、2 m×2.0 m×4.0 m 移動式鋼箱、25 m3壓力箱、φ500 回水管、60 m3水量調節池等；動力設備除40 kW 動力機外，另有30 kW 貫流輔助泵及真空泵。試驗臺動力機系直流電動機，調速設備為270A（英）EUROTHERM DRIVES LIMITED 公司591C直流裝置，配LC60BM-C15F 光電編碼器反饋，轉速控制精度0.01%。泵站試驗臺平面圖如圖4 所示。

圖4 泵站試驗臺平面布置圖Fig.4 Pumping station test bed layout

1.4 測試方法

在泵及泵裝置外特性試驗中，揚程、流量、轉速、軸功率等測定通過傳感器和數據采集卡、處理器及專用軟件形成專用微機測試系統，試驗數據自動采樣和處理、顯示、儲存，其中汽蝕余量有圖像顯示功能。泵站試驗臺主要工作參數：揚程：-1～16 m；流量：0～0.8 m3/s；動力機功率40 kW，轉速0～1 600 r/min。慎江泵站模型試驗各參數測量儀器見表1。

表1 慎江泵站模型試驗各參數測量儀器Table 1 Various parameter measuring instruments in model test of Shenjiang pump station

除上述若干參數，水泵軸功率、泵裝置效率、裝置汽蝕余量以及飛逸轉速通過下述方法進行測量。

1）泵軸功率[19]采用可靠的馬達天平測功機比測，水泵軸功率（kW）計算式為：

式中：G、G0分別為負載條件和同轉速無水空轉條件馬達天平砝碼質量（kgf）；L為馬達天平臂桿長（m）。

2）模型裝置效率。模型裝置效率[20]按下式計算并由微機系統顯示、記錄。計算式為：

式中：ρ為水體密度（kg/m3）；g 為重力加速度（m/s2）；Q為流量（m3/s）；Hsy為裝置揚程（m）；P為輸入軸功率（W）；P0為空載功率（W）。

3）泵裝置有效汽蝕余量和臨界汽蝕余量。裝置有效汽蝕余量計算式為：

式中：pa為當地的標準大氣壓（Pa）；pv為試驗水溫下的飽和蒸汽壓（Pa）。因pa/(ρg)≈10.33 m，水溫攝氏25 ℃時pv/(ρg)≈0.33 m。

臨界汽蝕余量（凈正吸頭）NPSHc參照《水泵模型及裝置模型驗收試驗規程》（SL140—2006）規定[21]，取泵效率下降1%時的有效汽蝕余量為臨界汽蝕余量[22]NPSHc。

4）飛逸轉速。飛逸轉速試驗方法是：拆除扭矩傳感器與動力機聯軸器的聯接。開啟輔助泵，形成泵裝置穩定反向水頭，水泵倒轉；實測倒轉轉速即為相應水頭的飛逸轉速。飛逸特性以單位飛逸轉速N0表示，計算式為：

式中：nf為實測飛逸轉速。每個葉片角度實測多組數據，計算單位飛逸轉速平均值。

5）原模型流量、揚程、效率以及飛逸轉速轉換。泵站原模型流量、揚程[23-25]計算式為：

式中：r表示原模型比值；n及m分別表示原型和模型。原模型裝置效率采用等效率方法進行換算。原模型單位飛逸轉速相同，原型飛逸轉速[26]計算式為：

1.5 誤差分析

1）流量測定精度。LDG-500 電磁流量計經上海工業自動化儀表研究所檢定，誤差δQ=±0.24%，取檢定誤差作為流量測定相對誤差[27]。

2）揚程測定精度。JC-E110A-EMS4A-92DA 差壓變送器不確定度小于±0.1%。取變送器系統檢定準確度作為系統誤差，則揚程測定誤差δH=±0.1%。

3）轉速測定精度。591C 整流調速裝置轉速穩定精度高于±0.01%，轉速的微機桌面顯示值雖偶有約±（0.02～0.03）%波動，但實際轉速并無變動。取轉速測定精度為JN338-200A 扭矩傳感器二次儀表轉矩不確定度。δn=±0.1%。

4）扭矩、軸功率測定精度。JN338-200A 扭矩傳感器扭矩儀經中國計量科學研究院檢定，扭矩不確定度δT=±0.1%，扭矩和軸功率相對誤差：δT=±0.1%；δP=(δ2T+δ2n)1/2=±(0.12+0.12)1/2%=±0.14%。

5）泵裝置效率測試總誤差。泵或泵裝置效率測試系統誤差系上述揚程、流量、功率誤差合成[28]：δn=(δ2H+δ2Q+δ2P)1/2=±(0.12+0.242+0.142)1/2%=±0.295%

2 結果與分析

2.1 能量特性試驗

對慎江泵站泵裝置模型5個不同葉片角度下（±4°、±2°、0°）的能量特性進行測試，每個葉片角度下設置13 個測量工況點。5 個葉片角度的最優效率工況見表2。泵裝置模型綜合特性曲線見圖5，泵裝置原型綜合特性曲線見圖6，可以發現，在同一角度工況下，揚程隨著流量減小而增大。

表2 5 個葉片角最優效率工況Table 2 Five blade Angle optimal efficiency conditions

圖5 泵裝置模型綜合特性曲線（Dm=0.3 m，nm=953 r/min）Fig.5 Comprehensive characteristic curve of pump unit model

慎江泵站5 個葉片角度下，模型泵裝置的最高效率在76%～78%之間，隨著葉片角度增大，泵裝置最高效率先增大后減小。在葉片角為0°時，豎井貫流泵裝置最高效率可達77.57%，泵裝置流量為220.5 L/s，轉換至原型泵裝置流量為16.56 m3/s，揚程為1.95 m，說明豎井貫流泵裝置在特低揚程泵站中可以獲得較高的效率。由特性曲線可以看出，0°葉片角的揚程工況被高效區覆蓋范圍最大，建議選用0°葉片角作為泵裝置實際運行角度。在0°葉片角工況下，揚程達到設計揚程1.38 m 時，泵裝置效率為70.69%，流量僅為18.83 m3/s。慎江泵站在設計揚程工況下泵裝置效率滿足運行要求（大于70%），但是流量偏小，需要提出改進措施以滿足設計流量要求。

圖6 泵裝置原型綜合特性曲線（Dp=2.6 m，np=110 r/min）Fig.6 Comprehensive characteristic curve of pump prototype

2.2 汽蝕特性試驗

模型泵裝置的汽蝕試驗采用定流量的能量法，取泵裝置效率下降1%的汽蝕余量作為臨界汽蝕余量。汽蝕特性試驗在-4°～+4°每個葉片角度設置5 個流量工況點。泵裝置原型設計凈揚程和最高凈揚程臨界汽蝕余量見表3；各葉片角揚程與原型臨界汽蝕余量曲線見圖7。

表3 泵裝置原型設計凈揚程和最高凈揚程臨界汽蝕余量Table 3 Pump unit prototype design of net head and maximum net head critical cavitation allowance

圖7 泵裝置原型揚程與汽蝕特性曲線（Dp=2.6 m，np=110 r/min）Fig.7 Pump prototype head and cavitation characteristic curves

在試驗結果的流量范圍內，同一葉片角度下，臨界汽蝕余量隨著流量的增大而增大，與文獻[19、25-26]中的泵裝置汽蝕特性試驗規律一致。對比各葉片角度下的臨界汽蝕余量，可以發現5 個葉片角度下的臨界汽蝕余量均遠小于10 m（本試驗的有效汽蝕余量大于10 m）。因此，試驗揚程條件下，慎江泵站的裝置汽蝕余量充裕，不會產生汽蝕危害。

2.3 飛逸特性試驗

分別將水泵葉片角度調至-4°、0°、+4°試驗角度，對水泵裝置進行飛逸特性試驗，試驗測定模型泵作水輪機工況反轉且輸出力矩為0 的轉速。裝置飛逸轉速數據如表4 所示。原型泵裝置飛逸轉速隨揚程變化曲線如圖8 所示。

由表4 可知，在-4°、0°、和+4°的試驗角度下，原型泵裝置的平均單位飛逸轉速N0分別為：398.7、332.0、268.9 r/min。同一個葉片角度下，飛逸轉速隨著揚程增大而增大。原型泵的飛逸轉速隨葉片角度增大而減小，在葉片角為-4°時原型泵的飛逸轉速最大。本貫流泵也滿足文獻[19，23，26]所述的飛逸轉速特性規律。葉片角為0°時，最高揚程對應的原型泵最大飛逸轉速為198.5 r/min，相當額定轉速的1.80 倍；設計揚程對應的原型泵飛逸轉速為126.4 r/min，相當額定轉速的1.15 倍。文獻[18]中豎井貫流泵裝置的最大飛逸轉速接近額定轉速的2 倍，學者認為應該重視泵裝置事故門的選型和設計。與之相比，慎江泵站原型泵的最大飛逸轉速為額定轉速的1.80 倍，影響泵站安全運行，建議對泵裝置結構或者電機的額定轉速進行調整。

表4 裝置飛逸轉速數據Table 4 Device runaway speed data

圖8 原型泵裝置飛逸特性曲線Fig.8 Runaway characteristic curve of prototype pump device

2.4 運行方案調整

在0°試驗角度運行方案下，慎江泵站裝置揚程取設計凈揚程0.98 m 時，流量基本滿足設計要求；但是，在設計揚程1.38 m 時，葉片角0°運行方案的流量僅為18.83 m3/s，流量偏小不滿足設計流量的要求。而且，原型泵在0°葉片角工況下，最大凈揚程2.76 m時，原型泵飛逸轉速相當于額定轉速的1.8 倍，對泵站安全運行不利。為加大流量，并增加運行穩定性、安全性，適當增加轉速是必要的。取轉速n=120 r/min，原型性能曲線如圖9；為作對比，取轉速n=125 r/min，原型性能曲線如圖10。

對比圖9 及圖10，轉速加大到125 r/min，雖然設計揚程流量比轉速120 r/min 稍有增大（葉片角0°增大1.2 m3/s），但裝置效率下降2.3%。為力求高效區接近設計揚程，取設計轉速120 r/min，圖11 為120 r/min 原型綜合特性曲線。原型泵運行方案調整前后數據對比見表5。

圖9 原型性能曲線（Dp=2.6 m，np=120 r/min）Fig.9 Prototype performance curve

圖10 原型性能曲線（Dp=2.6 m，np=125 r/min）Fig.10 Prototype performance curve

圖11 原型綜合特性曲線（Dp=2.6 m，np=120 r/min）Fig.11 Prototype comprehensive performance curve

表5 原型泵運行方案調整前后數據對比（揚程1.38 m）Table 5 Comparison of data before and after adjustment of prototype pump operation scheme

水泵額定轉速增加到120 r/min，葉片角為0°，設計揚程為1.38 m 時，流量為21.09 m3/s，裝置效率為71.46%，滿足水泵設計流量要求和效率要求。由圖9 及圖11 可知，各葉片角度穩定運行揚程均可達3.5 m 或更高，能保證泵站全部揚程范圍穩定運行。對比改進前，裝置流量增大2.26 m3/s，裝置效率增大0.77%，滿足設計流量和泵裝置效率要求；雖然原型泵的臨界汽蝕余量增大0.87 m，但其值還是遠遠小于有效汽蝕余量，不可能產生汽蝕危害；最大揚程為2.93 m 時，原型泵的飛逸轉速相當額定轉速的1.65倍；設計揚程為1.38 m 時，原型泵的飛逸轉速相當額定轉速的1.05 倍。若考慮原型泵的摩擦損失和轉動慣量等因素，原型泵的真實飛逸轉速將比換算得出的飛逸轉速值略小，可以滿足水泵安全運行要求。

3 討論

慎江泵站前置豎井貫流泵裝置原運行方案裝置效率較高，水力特性良好，但在設計工況下的流量偏小，不能滿足運行要求，最大飛逸轉速過大，影響泵站安全運行。經過方案調整，額定轉速增加至120 r/min 后，泵裝置效率有所增大，水力性能優異，能滿足泵站穩定、安全運行。與文獻[18]中的特低揚程豎井貫流泵裝置模型試驗研究對比，汽蝕飛逸特性一致。本文的原型泵裝置最優工況點效率為77.57%，比文獻[18]中的原型泵裝置最優工況點效率80.9%低了3.33%。主要是因為本文未考慮裝置空載且采用原模型等效率進行效率換算，而文獻[18]中考慮了裝置空載并且采用“分布效率換算法”進行原模型效率換算，如此換算相較于模型泵裝置效率能提升3%左右。因此，若本文考慮裝置空載且采用“分布效率換算法”進行原模型效率換算，原型泵裝置最優工況點效率可達80%以上。慎江泵站豎井貫流泵裝置具有較高的裝置效率，汽蝕飛逸特性優良，適合在特低揚程泵站中應用。可為豎井貫流泵裝置在特低揚程泵站中應用提供借鑒。

4 結論

1）慎江泵站豎井貫流泵裝置在葉片角為0°時，模型泵裝置的最高效率可達77.57%，且0，葉片角的揚程工況被高效區覆蓋范圍最大，建議選用0 建葉片角作為泵裝置實際運行角度。

2）0°葉片角方案在設計揚程工況下的流量偏小，不滿足單泵流量要求。

3）轉速為120 r/min 工況下，0°葉片角在設計揚程工況，流量為21.09 m3/s，裝置效率為71.46%，滿足設計流量和泵裝置效率要求，并且汽蝕特性和飛逸轉速特性均能滿足水泵安全、穩定運行要求，是一種可行的調整方案。

4）裝置揚程隨著流量的增加而減小，裝置效率隨著流量增加先增大后減小；在試驗流量范圍內，裝置汽蝕余量隨著流量增大而增大；裝置單位飛逸轉速隨葉片角度增大而減小，在葉片角為-4°時裝置單位飛逸轉速最大；同一葉片角度下的飛逸轉速隨著揚程增大而增大。

5）豎井貫流泵裝置具有較高的裝置效率，汽蝕飛逸特性優良，在排澇泵站等特低揚程泵站中應用前景良好，建議優先采用。