特低揚程豎井貫流泵裝置水力特性實驗探討

戴 勇，唐開勝

(泰興市馬甸水利樞紐服務中心，江蘇 泰興 225434)

1 項目介紹

通過與國內某樞紐的泵站相結合，對豎井貫流泵的裝置水力特性加以分析，該泵站主要是為保證城市雨水的排澇。具體的設計參數為：最低揚程為Hmin=0.0m，最高揚程為Hmax=2.0m，凈揚程為H=1.0m，該泵站為特低揚程型泵站。根據該泵站的主要特性決定運用豎井貫流式的泵裝置。初期則通過選擇泵葉輪直徑3.0m和轉速95r/min的4套豎井貫流泵，每臺泵的流量達到25m3/s。并運用平行軸齒輪減速箱在泵和電動機間進行傳動，并且傳動比達到i≈7.83，電動機功率則為900kW[1-2]。

2 實驗裝置和模型的選擇分析

本次選擇在國內某實驗平臺開展研究。此次使用的平臺為平面布置式平臺，其主要是由動力和控制以及水力循環和測量等相關的主要系統加以組全而成。該平臺所使用的動力設備為：動力機和潛水輔助泵以及真空泵。動力機則采用直流式電動機，而調速裝置則使用591C直流式，并且配備LC60BM-CI5F光電編碼器，最終對于轉速的有效控制精度可以達到±0.01%。水力系統為：開敞式貯水池100m3、2m×2m×3m移動式鋼箱、75m3水量調節池、25m3壓力箱、25m3真控箱、p500回水管等。

平臺參數：揚程-1-16m，流量0-0.8m2/s，動力機功率40kW、轉速0-1600r/min。平臺布置圖，見圖1。

圖1 實驗平臺平面布置圖

依據該泵站的現實運行情況顯示，選擇水力模型時應當選擇高于轉數ns1200以上的低揚程軸流泵的相關模型。通過一系列的對比，決定選擇350ZMB-3.8模型，其揚程4.55m，流量402.49L/s，效率η=87.81%[3]。

3 本次實驗測量的主要參數

1)流量Q：針對流量的實際測量選擇使用LDG-500型電磁流量計，并由轉換器直接的獲取，并同時利用計算機進行詳細的記錄以及顯示；另外，將統流管流速流量計安裝在電磁流量計的前部，然后利用二次儀表對差壓水柱和流速以及流量值進行直接的采集。

2)裝置揚程Hsy：通過建立于進口壓力與出水壓力的水箱壁處測量點，然后選擇相應的斷面，街壓力穩定之后與差壓變送器進行直接連接，而水泵裝置的揚程在忽略相應損失后的計算為：

(1)

研究使用的平臺水箱由于過水斷面積較大，因此υ1≈υ2。壓差變送器應當安裝于高壓和低壓進口管的統一高程范圍內，所以z1=z2，水泵裝置的揚程Hsy=(p1-p2)/ρg，而水泵裝置揚程Hsy(m)則為差壓變送器的mH2O讀數。

3)扭矩T和軸功率P以及轉速n：利用測功扭矩儀二次儀表對本次模型泵的軸扭矩T和軸功率P以及轉速n進行直接讀取，與此同時，通過在儀表的串行口與計算機進行直接連接，由此記錄數據和顯示。另外針對模型泵軸功率，還可以使用馬達天平測功機進行有關的測驗，而軸功率計算的公式則為：

(2)

式中：G為負載條件下砝碼的質量，kg；G0為同轉速且無水空轉的砝碼的質量，kg；L為馬達天平臂桿的長度，取L=0.974m。

4)模型裝置的效率：根據等揚程相似的準則予以確定模型泵的實驗轉速：

(3)

式中：nn為泵原型的轉速，r/min；nm為泵模型的轉速，r/min；Dn為泵原型的直徑，m；Dm為泵模型的直徑，m。

模型泵的裝置效率根據下述公式進行計算：

ηsy=[ρgQHsy/(P-P0)]×100%

(4)

式中：ρ為水體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為模型流量，m3/s；Hsy為模型裝置揚程，m；P為模型泵的輸入軸功率，W；P0為空載的功率，W。

測試的全部參考由計算機系統加以記錄和顯示。

5)泵裝置的有效與臨界的汽蝕余量：將壓差變送器低壓端和存在自由水面的開敞有機玻璃容器，將高壓端與進口水箱揚程的測孔連接，并保持水面以及葉輪中心保持在同一高度的狀態。當實際測量出的變送器壓差值為△h/m時，則泵裝置實際的有效汽蝕余量計算為：

NPSHa=pa/(ρg)+△h-ρv/(ρg)

(5)

式中：pa為標準大氣壓，Pa，pa/(ρg)=10.33m實驗時水溫下的飽和蒸汽壓，Pa，當水溫25℃時pv/(ρg)≈0.33m。所以有效汽蝕的余量：

NPSHa≈10+△h

(6)

據相關資料表明[5]，NPSHc臨界汽蝕余量根據泵效率的降低1%的汽蝕余量當作臨界值。汽蝕實驗中，保持流量的不變，并對封閉循環系統予以進行抽真空，進而有效汽蝕余量會跟隨真空度的提高而逐步的降低，當效率降低1%有效汽蝕余量作為NPSHC。另外在必要時，可以運用頻閃觀測器對泵葉片的汽蝕狀態進行直接的觀測，由此確定實際測量的臨界汽蝕余量值。

實驗平臺的計算機系統主要記錄和顯示所有的測定數據，并同時在系統上將顯示和記錄實際的揚程和效率以及汽蝕余量[4-5]。

4 實驗的主要結果、分析

4.1 能量實驗

選擇模型泵葉片在不同的角度下(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)，對其能量的特性開展相應的實際測量，不同角度下效率動力的特性分析表，見表1。

表1 不同角度下效率動力的特性分析表

從表1的實際參數可以明顯看出，葉片角度呈現-4°時為模型泵的最佳，效率高達78.83%。

4.2 原型裝置結果

通過得用下述公式對泵站的原模型(Dn=3.0m，nn=95r/min)揚程、流量進行相應的換算：

(7)

Qn=QmnrDr3=Qm×Dr2=100Qm

(8)

式中：r為原模型的比值。

根據下述公式對原型裝置的效率加以換算：

(9)

ηn=ηm×ηr

(10)

原型泵裝置的最優工況效率為80.9%，與模型泵對比表明效率提高2%[6-7]。

4.3 汽蝕特性實驗分析

汽蝕實驗方法：通過與進口水箱的揚程取壓連通管進行連接，并將汽蝕余量的取壓連通管加以引出，需要注意另外設計含有自由水面的透明容器。確保水面和葉輪的中心保持在同一高度之中。對于汽蝕余量的實際測定，可以用利用Philips芯片的JC-E110A-EMS4A-92DA電容式差壓變送器對泵葉輪中心水頭壓差△h/m進行測定，變送器的量程在-10m-+10m，將高壓接口與取壓連通管進行連接，并將低壓接口與透明容器進行連接。通過變送器所測量出的水頭絕對壓力值(△h+10)即是NPSHa、NPSHc。而不同角度的葉片的不同工況NPSH臨界汽蝕余量分析表，見表2。

表2 臨界汽蝕余量分析表

4.4 泵裝置的飛逸特性

由下述公表達單位飛逸的轉速：

N0=nfDm/Hm1/2

(11)

式中：nf為實際測量實驗的飛逸轉速。

通過把實際沒出的單位飛逸轉速，單位飛逸轉速分析表，見表3。從表中顯示出，葉片角度-4°是單位飛逸轉速的最大值，由此說明葉片的角度不斷的提高則會導致單位飛逸轉速逐步開始降低。

表3 單位飛逸轉速分析表

4.5 結果分析

通過一系列的研究結果可以看出，葉片角度-4°為泵裝置的最優工況，其最大效率ηm,max=78.8%，對應工況點的揚程Hsy=1.70m，流量Q=22.66m3/s。設計揚程Hsy=1.0m、葉片角為-4°時，流量Q=25.35m3/s，模型裝置的效率為ηm=67.5%，原型裝置的效率為ηn=70.7%，軸功率為P=351kW，進一步說明該泵符合設計的實際要求。

依據-4°-+4°不同的葉片角度以及揚程0.56-2.56m多工況的實驗，NPSHC均保持4.0-4.8m范圍內，造成NPSHC數值和不同工況點差值較小的主要因素是水泵的轉速較低不高，n×D值285。進一步說明在實際的運行中，泵站不會出汽蝕的情況。

根據泵站泵裝置的一系列的實驗表明，對于特低揚程泵站而言，運用豎井貫流式水泵的效果最佳。并且由于該泵裝置的主要結構較為簡單，因此在運行中以及后期的維護中較為方便。因此十分適全在平原地區防洪排澇中。