引江濟淮工程朱集站泵裝置水力性能模型試驗研究

秦鐘建，徐 磊

（1.中水淮河規劃設計研究有限公司，合肥 230601；2.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州 225009）

0 引 言

引江濟淮工程地跨皖豫兩省，涉及江淮兩大水系，是國務院要求加快推進建設的172項節水供水重大水利工程之一。引江濟淮工程（安徽段）自南向北劃分為引江濟巢段、江淮溝通段及江水北送段三大段落。江水北送段中承擔皖豫城鎮供水任務的西淝河列入主體工程，安徽段起點為淮河北岸西淝河站，終點為豫皖交界的練溝河倒虹吸出口，線路總長223.8 km。朱集站是江水北送西淝河輸水線路線5 級提水泵站中的第4 級泵站。朱集站設計揚程3.53 m、最高揚程4.95 m、最低揚程1.93 m，單泵設計流量18.33 m3∕s，安裝葉輪直徑2.35 m、額定轉速為166.7 r∕min 的立式軸流泵。立式軸流泵裝置具有運行穩定可靠、安裝檢修方便、投資節省和制造技術成熟等優點，適用于低揚程、年運行時間較長的泵站，在我國大型泵站中應用廣泛［1-3］。

泵站設計規范（GB50265-2010）［4］中提出：重要的大型泵站宜采用三維流動數值計算分析，并應進行泵裝置模型試驗驗證。流道三維流動優化數值計算分析是提高泵裝置水力性能的有效方法［5-7］，泵裝置模型試驗是確認泵裝置水力性能的重要手段［8-10］。文獻［10-12］根據工程建設要求，對各站泵裝置模型進行了能量性能、空化性能和飛逸特性試驗；文獻［13］對淮安一站立式軸流泵裝置模型的能量性能、空化性能、飛逸特性和壓力脈動進行了測試，并換算得到了原型泵裝置特性；文獻［14］針對劉老澗抽水站設計需要，對兩副水泵模型的泵裝置試驗結果進行了比較。已有泵裝置模型試驗主要是針對各個泵站的具體情況進行了水力特性試驗，并將模型試驗結果換算至原型，為泵站運行提供了很好的指導作用。但是，已有研究對泵裝置試驗結果進行進一步分析的較少，對泵裝置性能與相應水泵模型性能的比較、不同工況時泵裝置發生初始空化與效率下降1%時空化之間的關系等問題還需進一步研究，這些問題對指導類似泵站泵裝置水力設計具有重要的意義。

為了使揚程較低的朱集站能更好地發揮在引江濟淮工程中的調水作用，檢驗朱集站基于三維數值模擬的進出水流道優化水力設計研究工作的實際效果，將南水北調同臺對比試驗得到的優秀水力模型TJ04-ZL-06［15］與經過優化水力設計的進、出水流道組成泵裝置，對泵裝置模型的水動力特性進行試驗研究，獲得了不同葉片角度下的能量、空化、飛逸和壓力脈動等水動力特性，并對試驗結果進行了進一步地分析，為朱集站的水力設計和建成后的運行管理提供了依據，也為類似立式軸流泵裝置優化水力設計研究與穩定運行管理提供了參考。

1 裝置模型概況

為保證引江濟淮工程朱集泵站安全、穩定和高效率運行，采用三維湍流模擬方法對該站泵裝置進、出水流道進行了水力優化設計研究。朱集站流道控制參數如下：肘形進水流道的流道高度為1.83Dp（Dp為水泵葉輪直徑，下同）、流道寬度為2.34 Dp、流道長度為5.47 Dp，直管式出水流道寬度為2.34 Dp、流道長度為8.6 Dp，進出水流道控制尺寸取值合理［16］。在此基礎上，對進水流道頂板仰角、流道斷面由矩形漸變為圓形的圓心軌跡線和流道形線進行了優化調整得到了進水流道優化方案，對出水流道斷面由圓形漸變為矩形的圓心軌跡線和流道平面擴散形線進行了優化調整得到了出水流道優化方案，進、出水流道的流場圖示于圖1。由流場圖可以看到，肘形進水流道內水流轉向有序、收縮均勻，直管式出水流道內水流轉向有序、擴散平緩均勻。經優化得到的朱集泵站肘形進水流道和直管式出水流道設計流量的流道水頭損失分別為0.086 m 和0.272 m［17］，流道水頭損失小，水力性能優異。

圖1 朱集站泵裝置進、出水流道流場圖Fig.1 Flow fields of inlet and outlet conduit in pump system of Zhuji Pumping Station

朱集站裝置模型由進水流道、水泵葉輪、導葉和出水流道裝配而成，水泵模型采用TJ04-ZL-06 軸流泵水力模型，轉輪葉片數3，導葉片數6，輪轂比為0.4，模型泵葉輪直徑Dm=0.3 m，葉片外緣間隙0.15 mm，泵裝置模型比例尺為1∶7.833，試驗轉速為nm=1 305.8 r∕min。該站泵裝置模型主要尺寸如圖2所示。

圖2 朱集站泵裝置模型尺寸圖Fig.2 Dimension of pump system model of Zhuji Pumping Station

朱集站泵裝置模型試驗在江蘇大學水泵綜合實驗室試驗臺上進行，按文獻［18］的要求進行了能量、空化、飛逸和壓力脈動等性能試驗，模型泵裝置試驗現場如圖3 所示。該試驗臺的效率測試綜合不確定度優于±0.3%。泵裝置模型的進、出水流道采用鋼板焊接制作，模型泵葉輪室設觀察窗，以觀察葉片處的水流和空蝕現象；在葉輪室進口、葉輪室出口和導葉體出口分別設置了壓力脈動傳感器，用于測量泵裝置壓力脈動變化規律；為了滿足流道壁面粗糙度相似的要求，鋼制流道內壁加涂環氧樹脂層。

圖3 模型泵裝置試驗現場Fig.3 Testing site of pump system model

2 能量與空化特性

2.1 能量特性

泵裝置模型試驗共測試了7 個葉片安放角度（+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°、-8°）的能量性能，能量性能測試按原模型等揚程原則進行，為保證測試過程穩定及準確，對于馬鞍形區采用降速方法測試再換算至額定轉速1 305.8 r∕min 時的數值，泵裝置能量特性曲線如圖4 所示。試驗結果表明，泵裝置在葉片角度為+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°和-8°時的最高效率分別為77.57%、77.93%、78.19%、78.26%、78.33%、78.29%、和77.83%。泵裝置模型整體最高效率出現在葉片角度-4°，達到78.33%，對應的流量和泵裝置揚程分別為276.6 L∕s和3.91 m。試驗結果表明朱集站進出水流道優化水力設計研究工作取得了令人滿意的效果。

根據本次模型試驗結果和文獻［15］，通過相似律換算至Dm=0.3 m、nm=1 305.8 r∕min時的特性參數，朱集站泵裝置模型與水泵模型TJ04-ZL-06 能量性能曲線的比較示于圖4，朱集站泵裝置模型與水泵模型TJ04-ZL-06 不同葉片角度最優工況點參數的比較列于表1。

圖4 泵裝置模型與水泵模型TJ04-ZL-06能量性能曲線比較Fig.4 Comparison of energy performance curve between pump system model and pump model

表1 泵裝置模型與水泵模型TJ04-ZL-06最優工況點參數的比較Tab.1 Comparison of parameters on optimum operating condition between pump system model and pump model

比較結果表明：泵裝置模型與水泵模型TJ04-ZL-06 能量特性曲線的線形相近、變化趨勢相同，但同一個葉片角度泵裝置的流量小于泵段的流量，兩者在流量軸方向的位置相差為2°左右，兩者的最高效率值相差約7%。該試驗結果與文獻［16，19，20］得到的結論基本一致。

2.2 空化特性

泵裝置模型的空化性能試驗采用定流量的能量法，每個葉片角度取5 個不同的流量點進行空化試驗，測試時每個點的流量保持常數，逐漸降低泵進口壓力，取泵裝置模型效率較其性能點低1%的有效空化余量作為臨界空化余量［18］。朱集站泵裝置模型各個葉片安放角度（+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°、-8°）的臨界空化余量曲線如圖5所示。

圖5 泵裝置模型Q～NPSH曲線（nm=1 305.8 r/min，Dm=0.30 m）Fig.5 Curve between Q and NPSH of pump system model（nm=1 305.8 r/min，Dm=0.30 m）

試驗結果表明：①泵裝置同一葉片角度臨界空化余量與流量的關系為開口向上的曲線，最優工況點附近的臨界空化余量最小；②泵裝置臨界空化余量隨著葉片角度的減小而下降；③在各揚程均滿足設計流量Q=300 L∕s 的要求，泵裝置最大揚程4.95 m、葉片角度+2°時的空化余量臨界值約為8.83 m，泵裝置設計揚程3.53 m、葉片角度-2°時的空化余量臨界值約為6.32 m，泵裝置最低揚程1.93 m、葉片角度-6°時的空化余量臨界值為5.48 m；④經過計算復核，朱集站水泵葉輪中心安裝于泵站進口最低水位以下3.5 m，滿足水泵最小淹沒深度的要求。

在進行泵裝置空化試驗時，為了更好地研究泵裝置模型的空化性能，采用了逐步降低水泵進口能量的方法，并在此過程中采用閃頻儀觀察葉輪葉片表面空化的初生和發展。以葉片角度-2°為例，在泵裝置揚程4.99 和3.71 m 時，觀察到初生空化氣泡首先出現在葉片背面和葉頂間隙靠近進口的區域如圖6所示，泵裝置效率下降1%時產生的臨界空化泡如圖7 所示；在泵裝置揚程1.87 m 時，觀察到初生空化泡首先出現在葉片工作面靠近進口的區域如圖8（a）所示，效率下降1%時產生的空泡現象如圖8（b）所示。

圖6 高揚程工況葉片初生空化泡Fig.6 Initial cavitation bubbles on blade under high head conditions

圖7 高揚程工況效率下降1%時葉片空化泡Fig.7 Cavitation bubbles on blade when efficiency drops by 1%under high head conditions

由葉片角度-2°時的空化試驗觀察可知：在泵裝置揚程4.99和3.71 m 運行工況下，水泵葉片表面初生空泡產生在葉片背面和葉頂間隙處，此時空化余量值分別為14.63 和14.54 m，如圖6所示；隨著進口能量的降低，當效率下降1%時的臨界空化余量分別為7.97 和6.32 m 時，葉片背部和葉頂間隙處的空化泡區域面積增加較快，如圖7 所示；在泵裝置揚程1.87 m 運行工況下，水泵葉片初生空化泡產生在葉片工作面，其空化余量值為7.85 m，如圖8（a）所示；效率下降1%時的臨界空化余量值為6.98 m，葉片工作面的空化泡也比較明顯，如圖8（b）所示。不同工況時初生空化值與臨界空化值比較如表2所示。

表2 不同工況時初生空化值與臨界空化值對比Tab.2 Comparison of initial cavitation value and critical cavitation value under different operating conditions

圖8 低揚程工況葉片工作面初生和效率下降1%時的空化泡Fig.8 Cavitation bubbles on blade of initial and efficiency drops by 1%under low head condition

從表2可知：在泵裝置揚程4.99和3.71 m工況，當空化余量值是臨界空化余量值約2倍時，空化泡就已在葉片背面出現，主要原因是由于揚程較高，葉頂間隙泄漏渦的影響較明顯，導致初生空泡很早便出現，這里主要是間隙空化的體現；而在泵裝置揚程1.87 m 工況，初生空化泡出現時的空化余量值與臨界空化余量值比較接近時，但空化泡出現在葉片工作面，主要原因是由于水泵工作揚程低，葉片工作面和背面的壓力差較小，葉頂間隙泄漏渦不明顯，同時由于入流角產生負沖角，在葉片工作面的入口處產生壓力降低，從而產生空化泡，這里主要是翼型空化的體現。

綜上所述，適當增加水泵最小淹沒深度是有利于提高水泵的抗空化性能，同時空化試驗中觀察到葉片表面出現的空化泡及空化余量值對葉片的空蝕和機組穩定運行的影響有待進一步通過機組現場測試進行驗證。

3 瞬態動力特性

3.1 飛逸特性

通過對試驗臺測試系統的切換，使水泵運行系統反向運轉，進行了7 個葉片角度不同揚程工況下模型泵的飛逸轉速實驗，其單位飛逸轉速及相應的原型泵最大飛逸轉速見表3。由表3可知模型泵的最大飛逸轉速發生在葉片安放角-6°時，其最大單位飛逸轉速值312 r∕min，相應原型泵的飛逸轉速為295 r∕min，是電動機額定轉速的166.7 r∕min的1.77倍。

表3 朱集站泵裝置飛逸轉速試驗結果Tab.3 Test results of runaway speed of pump system of Zhuji Pumping Station

朱集站泵裝置模型試驗結果表明：考慮最不利情況，按最高凈揚程計算原型泵裝置飛逸轉速為電動機額定轉速1.54～1.77 倍之間。當泵裝置飛逸轉速較高、飛逸時間較長時，可能導致水泵軸承系統磨損嚴重、引起聯軸器螺栓松動，泵內流動易出現水力不穩定導致過流部件損壞，對泵機組設備造成損害［21］。因此，在泵機組設計制造時，需要根據朱集泵站不小于額定轉速1.77 倍的最大飛逸轉速對水泵和電動機強度進行計算復核，電動機轉動部分機械應力需按最大飛逸轉速進行計算校核［22，23］，以保證電動機滿足能承受機組飛逸轉速時電動機轉子磁軛的變形小于氣隙值的超速設計要求。

3.2 壓力脈動

采用壓力脈動試驗用高頻壓力傳感器對葉輪室進口處測點P1、葉輪室出口處測點P2、導葉體出口處測點P3的壓力脈動情況進行了測量，測點位置示于圖9。采用97%置信度的雙幅值分析方法對測得的水壓力脈動信號時域波形圖進行了統計與計算。葉片安放角-2°泵裝置揚程為1.97、3.53和4.92 m 時所測得的壓力脈動時域及頻域曲線分別見圖10、圖11和圖12。

圖9 壓力脈動測點位置示意圖Fig.9 Pressure fluctuation measuring point position

圖10 泵裝置揚程1.97 m時壓力脈動試驗時域和頻域圖Fig.10 Time domain and frequency domain diagrams of pressure pulsation when pump system head is 1.97 m

圖11 泵裝置揚程3.53 m時壓力脈動試驗時域和頻域圖Fig.11 Time domain and frequency domain diagrams of pressure pulsation when pump system head is 3.53 m

泵裝置模型試驗的水泵轉速為1 305.8 r∕min，水泵軸轉動頻率為21.8 Hz，葉片頻率為65.4 Hz。從壓力脈動頻譜圖可以看出：①葉輪室進口P1 點和出口P2 點壓力脈動幅值較大者出現的頻率為21.8、65.4 和121.8 Hz，均出現在水泵軸頻率或葉片頻率的整數倍處，葉輪室出口處的壓力脈動幅值較進口處大，主要是由于旋轉的葉輪葉片與固定的導葉產生的動靜干涉所致［24］；②導葉體出口P3 點的壓力脈動在泵裝置揚程1.97 m 和3.53 m 頻譜圖中21.8 Hz 和65.4 Hz 的壓力脈動幅值較大，在泵裝置揚程4.92 m 頻譜圖中導葉體出口處壓力脈動幅值較小且水泵軸頻率整數倍處的壓力脈動幅值也不明顯。

4 結論與建議

（1）引江濟淮工程朱集站泵裝置模型最優工況點位于葉片角度-4°，泵裝置效率達到78.33%，對應的泵裝置模型流量和揚程分別為276.6 L∕s和3.91 m，泵裝置能量性能優異，表明朱集站進出水流道優化水力設計研究工作取得了令人滿意的效果。

（2）在滿足設計流量要求的前提下，葉片角度-2°時泵裝置設計揚程3.53 m 時的臨界空化余量臨界值為6.32 m，滿足泵裝置安全運行的要求。泵裝置模型進口壓力為臨界空化余量值時，觀察到葉片工作面或背面已經出現了較大面積的空化泡區域；特別對于空化泡出現在葉片工作面的低揚程、大流量工況，對水泵葉片具有較強的破壞性，應避開此角度運行，建議低揚程工況時采用較小葉片角度運行。

（3）泵裝置模型飛逸特性試驗結果表明，泵裝置最高揚程時原型泵最大飛逸轉速為295 r∕min，是額定轉速的1.77 倍，在水泵和電動機轉動部分設計時需滿足該超速設計的要求，以保證機組的安全運行。

（4）水壓力脈動的主頻主要為水泵的葉頻、軸頻及其倍頻，最大脈動幅值主要出現在水泵葉輪室的出口處，主要為轉動的葉輪葉片與固定的導葉產生的動靜干涉所致，不會對水泵裝置的運行造成額外影響，表明流道設計和泵裝置性能正常。對于揚程較低的朱集站，需要注意泵體結構的固有頻率避開水泵轉動的軸頻、葉頻及其倍頻，以避免影響泵站的安全穩定運行。

朱集站泵裝置模型的能量特性、空化特性、飛逸特性及壓力脈動特性符合相關規程和泵站安全高效、經濟運行的要求。