斜軸變槳軸流泵空化特性試驗

汪寶羅，張弋揚，蘇勝利，何成連，潘利國，謝麗華

(1.浙江省水利水電勘測設計院有限責任公司，浙江 杭州 310002；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222； 3.嘉興市杭嘉湖南排工程管理局，浙江 嘉興 314001)

空化和空蝕現象會影響泵的水力性能，造成振動、噪聲甚至是結構破壞[1]。在試驗條件下監測并分析水泵的空化狀態是研究空化和空蝕現象的重要手段[2]。斜軸軸流泵是我國在大流量泵站引入的一種新型泵裝置[3]，已經應用于上海太浦河泵站[4]、廣東文頭嶺泵站[5]等。由于在應用過程中該泵容易出現左右流道偏流等問題[6]，國內外專家學者主要針對進出口流道流態[7]及斜軸軸流泵能量特性[8]展開研究。徐磊等[9-10]基于計算流體力學(CFD)數值計算方法，探究了不同泵軸傾角與流道隔墩長度對進出口流道流態的影響。劉潤根等[11]、謝麗華等[3]基于模型試驗方法，分別探究了30°斜軸軸流泵的能量特性和15°斜軸軸流泵的空化特性、飛逸特性、壓力脈動特性與偏流特性。國內圍繞斜軸軸流泵裝置空化余量與槳葉角度、揚程之間的規律性研究較少，對斜軸軸流泵變槳調節原則的研究也較少。

目前，水泵空化監測與診斷的主要方法有流量-揚程法(能量法)、噪聲法、振動法[12]、壓力脈動法、電測法、圖像法[13]。其中，基于空化余量評估泵裝置空蝕性能的能量法是應用最多、最為可靠的方法。盡管已經有不少學者采用CFD數值計算方法研究斜軸軸流泵的能量特性[8]與空化特性[14]并取得了不錯的效果，但是不同計算模型、求解方法與邊界條件下數值計算結果的差異性致使該方法在實際工程應用中的可靠性仍顯不足。對此，本文基于軸流泵試驗平臺開展斜軸軸流泵空化特性試驗，獲取不同泵軸傾角、不同葉片角度條件下的空化余量數據，統計并總結一般性規律，以期為斜軸軸流泵變槳調節原則與泵裝置選型設計提供參考。

1 模型泵參數與試驗方法

1.1 斜軸軸流泵站簡介

本文以浙江省長山河、鹽官、八堡3座泵站的斜軸軸流泵裝置模型為研究對象，這3座泵站單機流量均為50 m3/s，模型泵的水力模型型號均為TJ04-ZL-20，但各泵站的水泵流道型線局部有所區別。此外，3座泵站的泵軸傾角也有所不同，分別為20°、15°和20°。3座泵站的斜軸軸流泵裝置具體參數見表1。

表1 斜軸軸流泵裝置基本參數

以八堡泵站為例，其斜軸軸流泵裝置進、出水流道單線圖如圖1所示，長山河、鹽官泵站的斜軸軸流泵裝置與八堡泵站相近。

圖1 八堡泵站斜軸軸流泵裝置進、出水流道

1.2 試驗臺簡介

為了保障對不同泵站斜軸軸流泵裝置模型試驗結果對比的可靠性與說服力，這3座泵站的試驗均在中水北方勘測設計研究有限責任公司軸流泵試驗平臺上完成，該試驗平臺效率值測試的綜合不確定度不超過±0.3%，其試驗臺系統示意圖如圖2所示。為便于觀察空蝕的發展過程，斜軸軸流泵裝置模型的葉輪段流道處開設有矩形玻璃的空泡觀測窗口，通過高速攝影設備獲取空化發生時葉輪段的流態進行內部流動分析。

1—出水側壓力罐；2—裝置模型；3—進水側壓力罐；4—電磁流量計；5—蝶閥；6—加壓泵；7—文丘里流量計；8—真空泵；9—壓縮機；10—出水側排氣閥；11—進水側排氣閥圖2 試驗臺系統示意圖

盡管在能量法中多以揚程下降3%作為空化余量的判定指標，但此時空化現象過于嚴重，對實際工程的指導意義有限，本文推薦采用水泵效率下降1%時的空化余量NPSHC作為斜軸軸流泵臨界空化余量的判定標準?？紤]到葉片角度對軸流泵空化性能的影響較為明顯[15]，本文重點探究不同葉片角度下的模型泵空化余量NPSHC的變化規律，這對工程實踐具有一定的指導意義。同時鑒于目前尚無針對泵軸傾角對NPSHC影響的研究，本文擬通過試驗數據分析不同泵軸傾角對NPSHC的影響程度。

對長山河、鹽官、八堡3座泵站的斜軸軸流泵裝置模型開展從零揚程至零流量的全范圍裝置模型試驗，試驗過程涵蓋了工程所需要的葉片角度，對這3個裝置模型的能量特性、空蝕特性進行了全面研究，獲得了較為豐富的數據。表2為長山河、鹽官、八堡泵站斜軸軸流泵裝置模型試驗過程中的揚程、流量、葉片角度的范圍。

表2 斜軸軸流泵裝置模型試驗參數范圍

圖3為長山河泵站的斜軸軸流泵裝置模型流道和TJ04-ZL-20模型轉輪及導葉。八堡泵站、鹽官泵站的斜軸軸流泵裝置模型與長山河泵站相近。

圖3 長山河泵站斜軸軸流泵裝置模型流道及TJ04-ZL-20模型轉輪、導葉

2 裝置特性及分析

通過模型試驗，得到了上述3座泵站的斜軸軸流泵裝置模型綜合特性曲線。以長山河泵站為例，其斜軸軸流泵裝置特性曲線(圖4(a))與南水北調20號轉輪的TJ04-ZL-20泵段綜合特性曲線(圖4(b))相比，最優工況點、等效率區、等空化余量線等關鍵指標均發生了一定程度的改變。經過詳細數據對比，將3座泵站斜軸軸流泵裝置模型與TJ04-ZL-20泵段的綜合特性曲線在能量特性、空化余量方面的區別列于表3和表4。

表4 不同揚程下斜軸軸流泵裝置與TJ04-ZL-20泵段的能量特性對比

圖4 長山河泵站斜軸軸流泵裝置模型和J04-ZL-20泵段模型綜合特性曲線

表3 不同葉片角度下斜軸軸流泵裝置與TJ04-ZL-20泵段最優工況點差異

表3對長山河、鹽官、八堡泵站的斜軸軸流泵裝置最優工況點參數與TJ04-ZL-20泵段最優工況點參數進行了對比，可以發現，相同葉片角度下，3個斜軸軸流泵的裝置最優工況點效率比泵段低5%～10%；裝置最優工況點對應的揚程比泵段最優工況點對應的揚程高7%～11.6%；裝置最優工況點的NPSHC比泵段的NPSHC要小，且葉片角度越大，兩者之間的差異越明顯，當葉片角度為-4°時，兩者NPSHC數值基本一致。

表4對比了不同揚程和葉片角度下各泵站斜軸軸流泵裝置與TJ04-ZL-20泵段的NPSHC關系，可以發現：

a.相同葉片角度下，揚程越大，裝置NPSHC與泵段NPSHC的差異越明顯；揚程越低，兩者差異越小。當揚程為8 m時，裝置與泵段的NPSHC比值在73%～87.4%范圍內，兩者存在一定偏差。但是當揚程為4 m時，兩者的比值為90.6%～109%，說明在低揚程下，兩者基本接近。

b.無論裝置還是泵段，靠近最優工況點時NPSHC小，偏離最優工況點時NPSHC大，且偏離得越遠，NPSHC越大。

c.對于采用相同泵段的不同斜軸軸流泵裝置，其NPSHC特性略有區別。同葉片角度、同揚程條件下，裝置NPSHC與泵段NPSHC的比例關系在73%～109%的范圍內。其中在高揚程段，裝置NPSHC小于泵段NPSHC的概率大，隨著揚程的降低，裝置NPSHC大于泵段NPSHC的概率逐漸增大。

d.通過對比發現，裝置NPSHC的決定因素是轉輪水力模型，裝置型線及泵軸傾角對NPSHC的影響并沒有表現出較強的關聯性。

e.相同揚程下，葉片角度對裝置NPSHC的影響顯著，特別在高揚程下，改變葉片角度可以有效降低NPSHC。這與林鵬等[16]的研究成果吻合較好，他們的研究表明，空蝕發生與葉片軸向速度、徑向速度、絕對速度的流動系數有較強的相關性，而葉片角度則是影響葉片流速分布的重要原因。因此，通過改變葉片角度，可以有效地改變空化特性，這也是指導泵變槳運行的依據之一。

3 空化特性與空化發展分析

3.1 空化特性分析

在6組不同葉片角度(-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°)工況下對3座泵站斜軸軸流泵裝置模型開展空蝕試驗，獲取各泵站不同葉片角度下的揚程與臨界空化余量曲線，見圖5。

圖5 不同葉片角度下各泵站裝置的揚程-臨界空化余量曲線

從圖5可以看出,隨著斜軸軸流泵裝置的揚程增大，NPSHC呈現先減小后增大的趨勢，其最小臨界空化余量點出現的位置有所區別，數值均接近5 m；最大臨界空化余量點出現在最大揚程處。對于不同葉片角度而言，橫向對比3個模型泵試驗數據發現，最大的NPSHC值均出現在葉片角度為+2°時，最小的NPSHC值對應的葉片角度不一。此外，不同泵站斜軸軸流泵裝置模型均表現出揚程越大，不同葉片角度下對應NPSHC的差異越大的特點。

進一步對不同葉片角度(-6°、-2°、+2°)條件下，不同泵站斜軸軸流泵裝置流量與臨界空化余量的關系如圖6所示。從圖中可以看出，對于特定葉片角度，隨著流量的增大，NPSHC呈現先減小后增大的趨勢，最優空化點對應的流量大小不一。橫向對比3個不同葉片角度的試驗數據，隨著葉片角度的增大，最優空化流量點向大流量方向移動，但總體上都處在300～400 L/s的范圍內。另外，即使3座泵站的斜軸軸流泵裝置型線、軸系傾角存在區別，但是在相同葉片角度下的NPSHC變化趨勢與最優空化點對應的流量均基本一致。根據3座泵站采用的泵段水力模型相同，但是流道型線及泵軸傾角不同可以推斷，NPSHC主要受水泵葉輪水力模型影響，與流道設計和軸系傾角的關系并不明顯。

圖6 不同葉片角度下各泵站裝置的流量-臨界空化余量曲線

3.2 空化發展分析

由于相同水力模型的空化性能較為一致，本文以長山河泵站模型泵為例，選取不同葉片角度與泵流量條件下臨界空化點的葉輪段空泡觀測圖進行分析，如圖7所示。

圖7 長山河泵站模型泵不同葉片角度下的葉輪段氣泡

從圖7可以看出，葉頂間隙空化發生的初始位置位于葉頂翼型頭部，空泡團為沿葉片工作面向背面旋轉的漩渦空化。隨著泵進口真空度的提高，葉頂間隙空化發生的位置、空泡團與葉頂粘連的區域均呈現由翼型頭部向尾部延伸發展的趨勢。這與曹衛東等[17]的空化數值模擬研究成果較吻合。在不同工況下，間隙空化是所有空化試驗過程中都存在的特點，但是葉片表面空化卻不是一定會發生的，有些工況只有間隙空化，而沒有發生葉片空化。甚至在抽真空的過程中，效率會有略微上升的現象發生，這可能與間隙空化產生的汽泡填塞了部分葉片與轉輪室的間隙，容積損失減低，進而造成效率小幅度提升的情況有關。

4 結 論

a.因最高揚程工況點對應的NPSHC較大，且葉片角度越大，NPSHC也越大。因此，當水泵進入高揚程區域運行后，應優先選擇變槳技術，將葉片角度調節至小角度(如-8°、-6°)運行，從而減小NPSHC值。

b.因NPSHC與揚程的關系是兩頭高、中間低。因此，當水泵進入低揚程區域運行時，也應優先選擇變槳技術，將葉片角度調節至小角度(如-8°、-6°)運行，從而減小NPSHC值。

c.若采用半調節水泵，則在設計選型時應盡量減小轉速和葉輪直徑的乘積，或選擇較小的葉片角度作為設計角度，從而降低真機最高揚程下的NPSHC，換取較小的葉輪淹沒深度和土建開挖深度。

d.當缺乏斜軸軸流泵裝置特性曲線時，在采用泵段曲線進行選型計算時，對于泵段的NPSHC應進行一定的處理。經過對3座泵站的統計，斜軸軸流泵裝置NPSHC與泵段NPSHC的比例關系在73.3%～109%。高揚程時，泵段NPSHC大于裝置NPSHC；中低揚程時，兩者差異較小，甚至局部工況下，會出現裝置NPSHC大于泵段NPSHC的情況。因此，在高揚程下，使用泵段NPSHC確定機組安裝高程是安全的，而在中低揚程下，建議在使用泵段NPSHC時，再額外考慮1.1倍的安全余量。