箱涵式雙向立式泵裝置性能試驗與流場分析

金海銀，張一祁，袁 堯，楊 帆*

（1.江陰市澄江水利農機管理服務站，江蘇 無錫 214400；2.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；3.江蘇省水利科學研究院，南京 210000）

0 引言

【研究意義】泵站在我國南水北調工程中發揮著重要的作用，具有排澇防洪，解決農業用水問題等作用[1]。在沿江濱湖地區，河道水位變化情況較為復雜，單向泵裝置無法滿足引排水雙向運行功能的需要，雙向泵裝置不僅能滿足引排水雙向運行的功能需要，而且最大程度降低土地資源使用的泵裝置結構形式，其中箱涵式雙向泵裝置由于采用了閘站結合的布置形式，具有結構緊湊、占地小等優點，可降低工程投資，滿足我國沿江濱湖地區雙向抽水的需要，得到了廣泛的應用[3]。

【研究進展】箱涵式雙向進水流道泵站是在總結雙向鐘形流道及開敞式進水池研究成果基礎上發展起來的一種泵站結構形式，針對箱涵式雙向立式軸流泵裝置，學者們已開展了相關的研究工作并取得了一系列研究成果，楊帆等[2-4]采用CFD 技術和高速攝影技術對箱涵式進水流道的立式軸流泵裝置流道內部附底渦流動特征及其對泵裝置水動力性能的影響進行了分析,并結合物理模型試驗的方法對箱涵式雙向立式軸流泵裝置的內流場及脈動特性進行了分析。戴景等[5]采用數值模擬技術分析了不同工況時特低揚程雙向泵裝置及過流部件在不同工況下的水動力特性及泵裝置飛逸過渡過程中泵裝置內、外流場特性的變化。王麗慧等[6]基于南水北調東線一期工程，分析了3 個典型工況下泵裝置流態和葉輪葉片表面的壓力分布情況，對泵裝置模型的能量性能進行預測，最終數值計算結果與模型試驗結果基本一致，最大差值不超過2%。胡秋瑾等[7]對比了立式軸流泵裝置傳統選型方法、等揚程加大流量的選型方法，運用CFD軟件對ZM55、TJ04-ZL-24 二種模型的可靠性進行驗證與比選。查智力[8]通過數值模擬方法，對帶有2 種不同結構的環形虹吸出水室的泵裝置進行對比分析。顧巍等[9]基于重整化群湍流模型應用SIMPLEC 算法，模擬了不同型式的虹吸式出水流道軸流泵裝置內流動特性。定性地分析了幾種經過型線優化的虹吸式出水流道內流場特征，定量地研究了多工況條件下虹吸式出水流道內水力損失及特征斷面水流流態的差異。武蒙[10]采用CFD 與模型試驗結合的方法，對典型箱涵式雙向模型泵裝置進行分析，揭示泵裝置內部流動特性；在出水流道最優尺寸下，分析了不同工況下直導葉與擴散導葉對泵裝置效率的影響。陳佳[11]通過數值模擬方法，進行了雙向立式軸流泵裝置內流機理及流固耦合分析。【切入點】因泵裝置物理模型試驗成本較高且周期長，利用物理模型試驗評估泵裝置性能的研究相對較少，大多數學者采用了CFD 方法進行泵裝置流場研究與分析?！緮M解決的關鍵問題】為確保泵站的高效、穩定和安全運行，以江蘇省江邊泵站的箱涵式雙向立式泵裝置為研究對象，采用了物理模型試驗結合數值模擬技術對泵裝置的性能進行了測試與分析，獲取各工況時箱涵式雙向立式軸流泵裝置的能量性能、汽蝕特性、飛逸特性試驗數據及泵裝置內流場特征數據，以期為同類泵站的泵裝置結構選型及設計提供數據參考。

1 工程概況

1.1 工程參數

江邊樞紐位于無錫江陰市申港鎮新溝河入江口，該樞紐工程由節制閘、泵站和船閘各1 座組成。樞紐主要承擔改善水環境、防洪、引水及航運的任務，是新溝河拓浚延伸工程通江口門的重要組成部分，也是該拓浚延伸工程中最大的單體工程（圖1）。

圖1 新溝河江邊樞紐工程Fig.1 Xingou river-side complex project

1.2 泵站主要參數

江邊樞紐泵站是兼排澇、引水功能的雙向泵站，泵站設計總流量120 m3/s，泵站采用4 臺立式軸流泵機組配開敞式進、出水流道，配套異步電機功率2 000 kW，單機設計流量30 m3/s，葉輪直徑為3 150 mm。

泵站運行水位組合及特性揚程如表1所示，其中排澇和排水為正向，引水為反向，該泵站為排澇和排水為主。

表1 泵站運行水位組合Table 1 Combined table of operating water level of pump station

2 泵裝置模型試驗

2.1 泵裝置模型

原型泵葉輪直徑D=3.05 m，幾何比尺為1∶10，水力模型優選南水北調同臺測試的TJ04-ZL-07 模型，轉輪直徑為330 mm，轉輪的葉片數為3，導葉體的葉片數為6，輪轂直徑為110 mm，轉輪及泵裝置的物理模型如圖2所示。

圖2 箱涵式雙向立式軸流泵裝置物理模型Fig.2 Physical model of Box-culvert Bi-directional vertical axial flow pump unit

2.2 試驗內容與方法

箱涵式雙向立式泵裝置物理模型試驗按照《水泵模型及裝置模型驗收試驗規程（SL140－2006）》的規定要求進行，試驗內容主要有：①5 個葉片安放角（-6°、-4°、-2°、0°、+2°）時箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型在正、反向運行工況時能量性能試驗。②4個葉片安放角（-4°、-2°、0°、+2°）時箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型的汽蝕性能試驗。③2 個葉片安放角（-6°、+2°）時箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型正、反向飛逸特性試驗。

2.3 高精度水力機械試驗系統

高精度水力機械試驗臺效率綜合不確定度優于±0.36%，隨機不確定度在±0.1%以內，符合《水泵模型及裝置模型驗收試驗規程（SL140—2006）》的精度要求，試驗臺如圖3所示，測量儀器設備均通過國家級計量認證。為滿足泵裝置汽蝕試驗的需要，該試驗臺采用立式封閉循環結構。管路直徑φ為250、350、500 mm。

圖3 試驗臺立面布置Fig.3 Layout of test stand elevation

2.4 試驗方法

按照試驗規程，測量模型泵裝置的軸轉矩及轉速時應采用測功扭矩儀測量，在計算時扣除空載轉矩。計算式參照參考文獻[12-13]，功率由式（1）計算：

式中：Pm為模型泵的功率（kw）；nm為模型泵試驗轉速（r/min）；Mm為模型泵輸入轉矩（N·m）；M0m為模型泵機械損失轉矩（N·m）。

水泵裝置效率試驗值按式（2）計算：

式中：η為原型泵效率；ρ為液體密度（kg/m3）；H為揚程（m）；Q為流量（m3/s）。

汽蝕特性試驗計算式參照參考文獻[12-13]由式（3）計算：

式中：NPSHav為泵裝置有效汽蝕余量（m）；Pav為泵裝置進水箱測壓點的絕對壓強Pa，由絕對壓力變送器測得；v為泵裝置進水箱測壓斷面平均流速（m/s）；Pv為試驗水溫下水的飽和蒸汽壓強（Pa）；h為絕對壓力變送器高于泵葉片旋轉中心線的高度（m）。

水泵裝置飛逸轉速是指水泵在水輪機工況運行狀態，且輸出力矩近似為0時的轉速。計算式參照參考文獻[12-13]，由式（4）、式（5）可得：

式中：n1'為單位轉速（r/min）；Dm為模型泵葉輪直徑（mm）；Hm為模型泵揚程（m）；Q1'為單位流量（m3/s）；Qm為模型泵流量（m3/s）。

取出當單位轉速趨于穩定時的數值作為單位飛逸轉速。原型泵不同揚程點的實際飛逸轉速可由式（6）確定：

式中：nR,P為原型泵的實際飛逸轉速（r/min）；HP為原型泵工作點的揚程（m）；DP為原型泵葉輪直徑（m）。

2.5 相似換算

根據《水泵模型及裝置模型驗收試驗規程》（SL140—2006），流量、揚程、軸功率和汽蝕余量采用下列相似換算公式：

原型水泵流量Q：

原型水泵揚程H：

原型水泵軸功率P：

3 結果與分析

3.1 能量性能試驗結果

箱涵式雙向立式泵裝置模型的能量性能試驗共測試了5 個葉片安放角（-6°、-4°、-2°、0°、+2°）時箱涵式雙向立式泵裝置的能量性能。同一轉速，相同工況下，6 個葉片安放角時箱涵式雙向立式軸流泵裝置的最優工況性能參數如表2所示。根據雙向立式軸流泵裝置物理模型能量性能試驗測試結果可得雙向立式軸流泵模型的綜合特性曲線，綜合特性曲線如圖4。

表2 箱涵式雙向立式軸流泵裝置最優工況性能參數Table 2 Optimum operating condition performance parameters of box-culvert bidirectional vertical axial flow pump unit

圖4 雙向泵模型裝置綜合性能曲線Fig.4 Comprehensive performance curve of bi-directional model pump unit

在葉片安放角（-6°、-4°、-2°、0°、+2°）范圍內，泵裝置的最高效率達到71.19%，此時泵裝置揚程為3.26 m，泵裝置的流量為253.18 L/s，葉片安放角度為-4°。在葉片安放角度-6°、-4°、-2°、0°和+2°時箱涵式雙向立式泵裝置的最高效率分別為70.88%、71.19%、70.48%、69.65%、65.58%。

采用等效率換算準則，在排水工況設計揚程1.55 m 時，箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型的流量為375.77 L/s，泵裝置效率為57.24%，對應原型泵裝置流量為30.63 m3/s。在引水工況設計揚程1.75 m 時，箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型的流量為375.77 L/s，泵裝置效率為60.77%；對應原型泵裝置流量為30.11 m3/s，雙向運行設計工況時泵裝置的流量均高于設計流量30 m3/s 的運行要求，滿足設計要求。

3.2 汽蝕特性試驗

泵裝置模型的汽蝕特性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4 個葉片安放角（-4°、-2°、0°、+2°）的雙向立式軸流泵進行運行工況的汽蝕特性試驗，表3 為各葉片角模型裝置臨界汽蝕余量NPSHC（m）。

表3 各葉片角模型裝置臨界汽蝕余量NPSHCTable 3 Critical cavitation allowance NPSHC for vane angle model units

根據各葉片角度多工況點實際試驗，臨界汽蝕余量在高揚程和低揚程下運行工況下數值稍高，但在所有運行揚程（1.75～3.95 m）范圍之內，臨界汽蝕余量最大不超過8 m，可滿足最低淹沒深度要求。

3.3 飛逸性能試驗

水泵裝置飛逸轉速是指水泵在水輪機工況運行狀態，且輸出力矩近似為零時的轉速。試驗前脫開扭矩儀與電機之間的聯軸器。飛逸特性試驗的反向水頭由輔助水泵提供，通過調節輔助泵的轉速來改變反作用水頭。利用測功扭矩儀和電磁流量計測量不同水頭下水泵穩定反轉的轉速和倒泄流量。

試驗測試了江邊樞紐泵站水泵裝置2 個葉片安放角（-6°、+2°）下的飛逸特性，需要注意的是，測定水泵飛逸轉速時轉動部件不包括電動機轉子。各葉片角度下的單位飛逸轉速如表3。根據試驗結果整理可得通原型水泵正向飛逸轉速特性曲線如圖5所示。

表4 各葉片安放角下的單位飛逸轉速Table 4 Unit runaway speed at each blade positioning angle

圖5 原型水泵正向飛逸轉速特性曲線Fig.5 Forward runaway characteristic curve of prototype pump

飛逸轉速隨揚程的增加而增加；泵裝置單位飛逸轉速隨葉片角度增大而減小。水泵模型TJ04-ZL-07在葉片角-6°時單位飛逸轉速 304.47 r/min。最大揚程Hsy=3.53 m 事故停機飛逸轉速可達181.6 r/min，為額定轉速1.45 倍。

3.4 誤差分析

水力機械（包括模型水輪機和模型水泵）試驗臺的測量不確定度主要指模型效率的測量不確定度，依據規程[16]進行不確定度分析計算，揚程測量不確定度EH為±0.1%，流量測量不確定度EQ為±0.2%，軸功率測量不確定度ET為±0.14%，系統不確定度ES為±0.26%，效率試驗隨機不確定度Er為±0.11%。

故本試驗效率測試綜合不確定度為：

4 泵裝置內部流場分析

4.1 計算模型

箱涵式雙向立式軸流泵裝置葉輪直徑3.15 m，葉輪的葉片數為3，葉片安放角為0°，額定轉速125 r/min，計算流量范圍18～39 m3/s。

圖6 泵裝置三維模型Fig.6 3-D model of pump unit

數值計算基于ANSYS CFX 軟件，選用RNGk-ε紊流模型，邊界條件設置及計算方法參照文獻[4-7]，本文不再贅述，對于進水、出水流道進行建模與網格劃分。

泵裝置總體網格單元數量分別取113 萬、161 萬、219 萬、259 萬、282 萬，隨著網格單元數量達到219萬后，再增加網格單元數量，泵裝置效率的絕對差值均在1%以內，可認為計算結果與網格無關。

經泵裝置網格數量無關性分析，以效率為判斷參數，泵裝置計算區域的網格單元數共計3 046 835 個，網格節點數共計1 279 676 個，其中四面體網格單元數為2 278 663 個，六面體網格單元數為768172 個，葉輪與導葉體的網格分別如圖7（a）、圖7（b）所示。各物理量的殘差收斂精度均設置為1.0×10-5，且揚程的變化趨于穩定，即該工況下數值模擬結果滿足收斂要求。

圖7 葉輪與導葉體網格Fig.7 Grid Diagram of Impeller and Guide Vane

4.2 不同導葉體對泵裝置水力性能的影響

為進一步提高箱涵式雙向立式軸流泵裝置的水力性能，分別對采用直導葉體和擴散導葉體的泵裝置進行了三維數值計算并分析了其對泵裝置整體水力性能的影響，2 種導葉體的三維模型如圖8所示。

在葉片安放角0°時2 套箱涵式立式軸流泵裝置的流量-效率對比如圖9所示。在5 個特征工況時，配擴散導葉體的泵裝置效率高于配直導葉體的泵裝置效率。擴散導葉體時燈泡貫流泵裝置常用的導葉體形式，與典型的軸流泵導葉體不同，其具有一定的擴散角度，采用擴散導葉既可較好地回收葉輪出口水流的旋轉動能，同時也可回收水流的軸向水流動能，將水流速度的動能更大化地轉化為壓能，擴散導葉體在箱涵式雙向立式軸流泵裝置中應用可適當提高泵裝置的水力性能。

圖9 不同導葉體的泵裝置流量-效率對比Fig.9 Flow-efficiency comparison diagram of pump units with different guide vanes

4.3 泵裝置內部流場

為進一步分析箱涵式雙向流道的內部流動結構，選取3 個特征工況（流量Q=18、30、39 m3/s），三維流線圖如圖10所示。

圖10 不同工況時泵裝置內部流線Fig.10 Flow chart of pump unit under different operating conditions

進水流道：各工況時雙向進水流道內流場的前部流線平順，在雙向進水流道的盲端處，流速很小，表現為運動緩慢的回流區。雙向進水流道可看作是后壁距很大的單向流道，因后壁距較大，故易形成死水區。遠離壁面的水流從導水錐順水側直接進入葉輪室，靠近兩壁面側的水流繞過導水錐從導水錐逆水側進入葉輪室，水流從四周進入葉輪室。

出水流道：各工況時水流從出水喇叭管出來后從四周匯入雙向出水流道內部，部分水流進入出水流道的盲端形成回流區，并繞過出水喇叭管進入出水側，部分水流直接進入出水側，水流呈螺旋狀。出水側的流態分布整體較為均勻，無漩渦、回流等不良流態。

5 結論

1）在測試的葉片安放角度范圍內，泵裝置的最高效率達到71.19%，此時泵裝置揚程為3.26 m，裝置內的流量為253.18 L/s，葉片安放角度為-4°。在排水工況設計揚程1.55 m 時，泵裝置效率達57.24%；對應原型泵裝置流量為30.63 m3/s。在引水工況設計揚程1.75 m 時，泵裝置效率達60.77%，此時葉片安放角為-6°；對應原型泵裝置流量為30.11 m3/s。均高于設計流量30 m3/s 的運行要求，滿足設計要求。

2）臨界汽蝕余量在高揚程和低揚程運行工況下數值稍高，但在所有運行揚程（1.75～3.95 m）范圍之內，臨界汽蝕余量最大不超過8 m。飛逸轉速隨揚程的增加而增加；泵裝置單位飛逸轉速隨葉片角度增大而減小。水泵模型TJ04-ZL-07 在葉片角-6°時單位飛逸轉速 304.47 r/min。最大揚程Hsy=3.53 m 事故停機飛逸轉速可達181.6 r/min，為額定轉速1.45 倍。

3）在設計流量（Q=30 m3/s）時，采用擴散導葉體的泵裝置效率高于直導葉的泵裝置。箱涵式雙向進水流道的盲端處流速很小，為運動緩慢的回流區；出水側的流態分布整體較為均勻，無不良流態出現。