引黃灌區(qū)含沙水流對離心泵性能影響試驗(yàn)

呂 艷，張 靖，張慶華

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250014；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引 言

工程實(shí)踐和相關(guān)試驗(yàn)證明，泥沙除了對水泵的過流部件有磨蝕破壞外，還對水泵的流量、揚(yáng)程、水泵的效率和水泵的軸功率、水泵的氣蝕余量有明顯的影響。目前我國以及國外生產(chǎn)的各種水泵一般按清水設(shè)計，所提供的水泵性能、參數(shù)都是清水條件下的數(shù)據(jù)，未考慮水中泥沙的影響。因此，在引黃灌區(qū)中當(dāng)含沙量較大時，仍沿用清水泵的參數(shù)進(jìn)行工程設(shè)計是不合理的。

關(guān)于泥沙對水泵性能參數(shù)的影響，清華大學(xué)水機(jī)教研組(1988)、天津勘測設(shè)計院水機(jī)磨蝕試驗(yàn)所(1992)等單位，選用天然黃河沙作為試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。前者的泥沙中值粒徑d50=0.058 mm，對10SH-19、6SH- 6、250S-14、6SH-9幾種泵進(jìn)行了不同含沙濃度下水泵性能試驗(yàn)。后者試驗(yàn)水泵為10SH-13、6SH-9和4PW單吸水泵，含沙量分別為0、5、20、60、100、150、200、300 kg/m3。國內(nèi)外專家學(xué)者也開展了相應(yīng)的研究工作。Burgess等[1]通過水泵輸送固液兩相流的試驗(yàn)觀察到，與清水相比水泵揚(yáng)程的減少程度比效率減少程度大；Sellgren[2]研究發(fā)現(xiàn)，水泵揚(yáng)程的下降與水流中的固體密度、比重、阻力系數(shù)有關(guān)；Chand[3]等研究發(fā)現(xiàn)，水流加入固體顆粒后，水泵的揚(yáng)程和效率升高；張鐵華[4]研究了渾水水泵試驗(yàn)的測量誤差分析，提出了渾水水泵試驗(yàn)的測量誤差分析方法及相應(yīng)的計算公式；陳漣等[5]選用d50=0.032、0.091 mm兩種中數(shù)粒徑的黃河泥沙，含沙量分別為7、26 kgm3進(jìn)行試驗(yàn)，分析了粒徑和含沙量對水泵性能的影響；李桂蘭[6]以清華大學(xué)為蘭州院作的黃河泥沙對水泵性能影響的試驗(yàn)成果，分析了含沙水流對運(yùn)行中水泵的揚(yáng)程、流量、效率、吸上真空度及軸功率等參數(shù)的影響；路金喜等[7]通過介紹模擬試驗(yàn)及典型泵站實(shí)際檢測的大量數(shù)據(jù)，分析了泥沙對水泵流量、吸上真空度、軸功率等的性能參數(shù)影響規(guī)律，探討了泥沙對水泵性能影響的機(jī)理；陸勇等[8]利用西北農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)資料，給出了水泵性能參數(shù)與含沙量的關(guān)系，但該公式所用數(shù)據(jù)少，公式的適用性一般。楊元月等[9]結(jié)合南水北調(diào)工程介紹了水泵效率的主要影響因素及提高措施。蘇佳慧等[10]采用歐拉-拉格朗日多相流模型，對雙吸式離心泵抽送含沙水流的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究壁面粗糙度對泵水力性能以及葉片磨損狀況的影響；王志遠(yuǎn)[11]研究了泥沙濃度和泥沙粒徑對雙吸式離心泵性能特性、離心泵靜壓力及壓力脈動的影響，并揭示了其影響機(jī)理。趙萬勇等[12]使用FLUENT軟件模擬出清水與含沙水條件下離心泵不同工況下運(yùn)行時回流區(qū)產(chǎn)生的位置，進(jìn)而討論葉片被破壞的主要原因。張彩鳳等[13]使用ANSYS軟件對雙吸離心泵進(jìn)行了空泡出現(xiàn)位置以及空化現(xiàn)象的模擬，研究發(fā)現(xiàn)揚(yáng)程下降與尾渦形態(tài)密切關(guān)系。趙偉國等人[14-16]采用了3種粒徑進(jìn)行空化的模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含沙量固定時，粒徑增大，空化先強(qiáng)烈后減弱；在粒徑不變時，含沙量增多，空化先強(qiáng)烈后減弱。共同考慮磨蝕與空蝕作用下，渾水下水泵揚(yáng)程均低于清水揚(yáng)程，且隨著粒徑增加與含沙量的增加，揚(yáng)程逐漸減小。在進(jìn)一步的研究中，作者使用沙粒體積分?jǐn)?shù)作為變量，發(fā)現(xiàn)隨著體積分?jǐn)?shù)增加，沙粒在離心泵內(nèi)的運(yùn)動更加紊亂，效率和揚(yáng)程隨之降低。此外，含沙水流具有低頻率、高振幅的特點(diǎn)，含沙量濃度對脈動頻率、壓力、湍動能分布、峰值振幅等都有影響。Serrano等[17]通過在巴西Acre河進(jìn)行野外測試，估算了渾水引發(fā)的葉片磨損量以及何如通過控制轉(zhuǎn)速減少磨損程度。Dong等[18]對喜馬拉雅河中含沙水流(粉土為主)對離心泵的侵蝕問題進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)粉土的大小影響侵蝕位置和侵蝕強(qiáng)度，而粉土濃度對研究范圍內(nèi)的侵蝕強(qiáng)度影響較大。此外，可以通過增加仿生凸觸引導(dǎo)水流旋動，改變?nèi)~片表面水的速度，進(jìn)而降低泥沙撞擊葉片的影響。閆振峰等[19]對西霞院水庫清淤中使用泥漿泵的排沙問題進(jìn)行研究，研究表明隨著流量的增加，所測的含沙量平均值隨之增大，而含沙量的最大值呈現(xiàn)先增后減的變化態(tài)勢。Shen等[20]通過模擬發(fā)現(xiàn)，較大顆粒的運(yùn)動軌跡更加均勻，容易造成更嚴(yán)重的沖蝕磨損損壞。含沙水流的泥沙顆粒尺寸增大到一定程度后，磨損損傷發(fā)展緩慢，侵蝕速率隨含沙量的增加而增大。

本文以黃河下游灌區(qū)泥沙為試驗(yàn)介質(zhì)，以上海凱泉泵業(yè)(集團(tuán))有限公司生產(chǎn)的KQW為試驗(yàn)水泵，通過不同泥沙粒徑、不同泥沙含量水泵的性能參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)，分析泥沙對水泵性能的影響，為引黃灌區(qū)工程設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。參照GB/T 18149—2017《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗(yàn)規(guī)范 精密級》及其他水泵試驗(yàn)，結(jié)合項(xiàng)目試驗(yàn)任務(wù)，本項(xiàng)目試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1中，水泵6通過吸水管2從進(jìn)水池1吸水加壓后提升至出水池12，再經(jīng)回水管3回到進(jìn)水池中，從而形成閉路循環(huán)，使流量相對穩(wěn)定；水泵流量由閘閥8控制，并通過流量計9測量；水泵進(jìn)出口壓力由壓力表5、7測量；為確保試驗(yàn)水中泥沙均勻，在進(jìn)水池中安裝有攪拌機(jī)4；水泵的輸入功率使用電參數(shù)測試儀表測量。

1.2 試驗(yàn)水泵

根據(jù)調(diào)查，山東省引黃灌區(qū)內(nèi)從渠道提水的水泵大多采用上海凱泉泵業(yè)(集團(tuán))有限公司生產(chǎn)的KQW或KQS型離心泵。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件，本試驗(yàn)選用該公司生產(chǎn)的65KQW25-20-2.2/2離心泵。

1.3 試驗(yàn)?zāi)嗌?/h3>

試驗(yàn)選擇小開河灌區(qū)沉沙池首部及中部、孫集3個位置的泥沙為本試驗(yàn)?zāi)嗌常嗌车闹袛?shù)粒徑d50分別為0.096 3、0.041 3、0.057 1 mm，密度分別為2 650、2 600、2 500 kg/m3。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)主要測試不同泥沙粒徑、泥沙含量對離心泵性能的影響，試驗(yàn)要素主要為泥沙粒徑和泥沙含量。為此，擬定試驗(yàn)方案如表1所示。表1中含沙量0為清水比較方案。

表1 水泵性能試驗(yàn)方案

1.4.2 試驗(yàn)測量

試驗(yàn)主要測量流量、水泵進(jìn)、出口壓力、電機(jī)輸入功率、水泵轉(zhuǎn)速、水溫及含沙量等。考慮到數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，電磁流量計流量以3次讀數(shù)的平均值作為測量值；真空表、壓力表均以7次數(shù)據(jù)的平均值作為測量數(shù)據(jù)；水泵電機(jī)為三相電機(jī)，電源經(jīng)過穩(wěn)壓器后三相輸入。本試驗(yàn)利用3塊電參數(shù)表測量電動機(jī)的三相輸入功率，三相功率之和為電機(jī)輸入功率，三相輸入功率取7次讀數(shù)的平均值作為測量值；含沙量采用烘干法測試，取樣位置在水泵回水管出水口，每個含沙量取3個水樣平均值作為含沙量值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果整理

2.1.1 實(shí)測揚(yáng)程

離心泵實(shí)測揚(yáng)程按下式計算

(1)

式中，Hc為離心泵實(shí)測揚(yáng)程，m；P為水泵進(jìn)口真空表壓力(換算為水柱高度)，m；M為水泵出口壓力(換算為水柱高度)，m；Z為真空表與壓力表高差，m；V1、V2分別為水泵進(jìn)、出口流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

2.1.2 水泵軸功率

電參數(shù)測試儀測量的為電機(jī)輸入功率，水泵的軸功率(即電機(jī)的輸出功率)可利用電參數(shù)測試儀測量的三相輸入功率，根據(jù)水泵配套電機(jī)的輸入輸出功率關(guān)系(廠家提供本試驗(yàn)水泵電動機(jī)性能參數(shù))進(jìn)行換算。

2.1.3 水泵效率

水泵有效功率及效率按以下公式計算

(2)

(3)

式中，Pu為有效功率，kW；ρs為渾水密度，kg/m3；Qo為換算為額定轉(zhuǎn)速后的流量，m3/s；Ho為換算為額定轉(zhuǎn)速后的揚(yáng)程，m；P0為換算為額定轉(zhuǎn)速后的軸功率，kW；η為水泵效率，%。

2.1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算

水泵性能曲線是在一定(額定)轉(zhuǎn)速條件下，實(shí)際測定的水泵其他性能參數(shù)與流量之間的關(guān)系曲線。由于不同流量下水泵轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速不同，因此，需要對實(shí)測的流量、揚(yáng)程及功率等利用比例律進(jìn)行換算。

本試驗(yàn)得到了清水12組流量，3個沙樣，每個沙樣5個含沙量、每個含沙量10組流量的揚(yáng)程、軸功率及效率等數(shù)據(jù)。進(jìn)而得到了試驗(yàn)水泵的Q～H、Q～P、Q～η等性能曲線。

2.2 含沙量對揚(yáng)程的影響分析

為了反映含沙量對揚(yáng)程的影響，根據(jù)試驗(yàn)得到的離心泵揚(yáng)程與含沙量關(guān)系，求得3個粒徑沙樣不同含沙量流量對應(yīng)的揚(yáng)程，用下式計算某種沙樣不同含沙量、流量情況下與清水比較的揚(yáng)程變化率

(4)

式中，αij為含沙量i與清水相比相同流量j的揚(yáng)程變化率，%；Hij為含沙量i流量j對應(yīng)的揚(yáng)程，m；H0j為清水流量j對應(yīng)的揚(yáng)程，m。

由式(4)得到離心泵3個沙樣不同含沙量情況下?lián)P程變化率見圖2、3。

由圖2、3可知，本試驗(yàn)流量及含沙量范圍內(nèi)3個沙樣的平均揚(yáng)程減少率為-2.09%，范圍為-0.51%～6.18%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均揚(yáng)程減少率分別為-1.37%、-2.65%、-2.24%；清水額定流量(為28 m3/h)情況下平均揚(yáng)程減少率分別為-1.31%、-2.67%、-2.31%，平均為-2.10%。

由圖2、3看到，3個粒徑不同含沙量揚(yáng)程減少率(除d50=0.096 3 mm含沙量7.407 kg/m3外)及平均揚(yáng)程減少率，隨流量的變化規(guī)律為上凸的拋物線，隨著流量的增加，減少率由大到小再增大，基本上是以流量20 m3/s為界，小于該流量時，減少率隨流量的增加而減少，大于該流量時隨流量的增加而增加。流量20 m3/s揚(yáng)程減少率最低，該流量為清水水泵額定流量的71.4%。

2.3 泥沙對軸功率的影響分析

根據(jù)試驗(yàn)得到的離心泵軸功率與含沙量關(guān)系，求得3個沙樣不同含沙量流量對應(yīng)的軸功率，參照式(4)計算某種沙樣不同含沙量、軸功率情況下與清水比較的軸功率變化率，結(jié)果見圖4、5。

由圖4、5得到，本試驗(yàn)流量范圍內(nèi)3個沙樣的平均軸功率增加率為1.69%，范圍為0.03%～3.52%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均軸功率增加率分別為1.29%、1.72%、2.03%；清水額定流量情況下平均軸功率增加率分別為0.74%、1.70%、1.61%，平均為1.35%。

由圖4看到，3個粒徑不同含沙量軸功率增加率(除d50=0.057 1 mm含沙量1.333 kg/m3外)及平均軸功率增加率，隨著流量的增加而減少，即流量越少軸功率增加率越大。由圖5看到，不同粒徑的軸功率增加率在大多情況下，粒徑大的沙樣大于粒徑小的沙樣。

2.4 泥沙對效率的影響

根據(jù)試驗(yàn)得到的離心泵效率與含沙量關(guān)系，求得3個沙樣不同含沙量流量對應(yīng)的效率，參照式(4)計算某種沙樣不同含沙量、效率情況下與清水比較的效率變化率，結(jié)果見圖6、7。

由圖6、7得到，本試驗(yàn)流量范圍內(nèi)3個沙樣的平均效率減少率為-3.66%，范圍為-0.3%～-7.18%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均效率減少率分別為-2.68%、-4.56%、-3.73%；清水額定流量情況下平均效率減少率分別為-3.14%、-5.37%、-4.61%，平均為-4.37%。

圖4 不同含沙量軸功率增加率

圖5 不同泥沙粒徑軸功率平均增加率

圖6 不同含沙量效率減少率

圖7 不同泥沙粒徑效率平均減少率

圖8 不同含沙量流量減少率

圖9 不同泥沙粒徑流量平均減少率

由圖6、7看到，3個粒徑不同含沙量效率減少率隨流量的變化而變化，粒徑d50=0.043 1 mm的變化趨勢為呈拋物線，在流量為25 m3/h達(dá)到最大值，而d50=0.057 1mm則與流量呈直線關(guān)系，d50=0.096 3 mm二者都有。由此看到，不同粒徑、不同含沙量對效率的影響比較復(fù)雜。

2.5 泥沙對流量的影響

根據(jù)試驗(yàn)得到的離心泵效率與含沙量關(guān)系，求得3個沙樣不同含沙量揚(yáng)程對應(yīng)的流量，參照式(4)計算某種沙樣不同含沙量、揚(yáng)程情況下與清水比較的流量變化率，結(jié)果見圖8、9。

由圖8、9得到，本試驗(yàn)流量范圍內(nèi)3個沙樣的平均流量減少率為-7.12%，范圍為-0.56%～-21.32%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均流量減少率分別為-5.78%、-8.02%、-7.57%；清水額定揚(yáng)程(21.5 m)情況下平均流量減少率分別為-5.7%、-7.91%、-7.47%，平均為-7.03%。上述數(shù)值看到，含沙量對流量的影響較大。

由圖8、9看到，3個粒徑不同含沙量流量減少率隨揚(yáng)程的變化而變化，呈拋物線關(guān)系，在揚(yáng)程為20 m達(dá)到最小值。

3 結(jié) 語

從上述分析可以看到，含沙水流中的泥沙會影響到離心泵的性能。與清水相比，泥沙使得水泵相同揚(yáng)程下的流量減少；相同流量下水泵的揚(yáng)程降低，軸功率增大，效率降低。在本試驗(yàn)條件下得到以下結(jié)論：

(1)平均揚(yáng)程減少率為-2.09%，范圍為-0.51%～6.18%，清水額定流量情況下?lián)P程減少率平均為-2.10%，范圍為-1.31%～-2.67%。

(2)平均軸功率增加率為1.69%，范圍為0.03%～3.52%，清水額定流量情況下軸功率增加率平均為1.35%。范圍為0.74%～1.70%。

(3)平均效率減少率為-3.66%，范圍為-0.3%～-7.18%，清水額定流量情況下效率減少率平均為-4.37%，范圍為-3.14%～-5.37%。

(4)平均流量減少率為-7.12%，范圍為-0.56%～-21.32%，清水額定揚(yáng)程情況下流量減少率平均為-7.03%，范圍為-5.7%～-7.91%。

上述數(shù)值看到，含沙量對流量的影響最大，其次為效率，第三為揚(yáng)程，最后為軸功率。上述成果可供引黃灌區(qū)設(shè)計中水泵選型參考。