軸流泵變角與變速的試驗分析

張文鵬，湯方平，謝榮盛，石麗建，謝傳流(揚州大學水利與能源動力工程學院， 江蘇 揚州 225009)

由于我國處于亞歐大陸東南和太平洋西岸特殊的地理位置, 大部分地區(qū)位于季風氣候區(qū)，致使我國的洪澇災害具有發(fā)生頻率高、受災范圍廣和一旦受災就損失嚴重等特點。尤其是近幾年來，城市洪澇災害屢見報端，給人民群眾的生命財產安全造成了重大威脅。要解決洪澇災害問題，建設排澇泵站無疑是最有效的方法之一。某泵站規(guī)劃為城市排澇泵站，兼顧抽排和自排功能，采用立式軸流泵裝置。工程上大都是采用nD值相等轉化原理，用模型實驗預測原型泵裝置性能。儲訓等[1]研究了軸流泵變速運行的優(yōu)點；袁堯等[2]研究了變角性能的相似關系；馮曉莉等[3]研究了在變角情況下優(yōu)化泵站運行方案的經濟性。國內中小型泵站多采用半調節(jié)式的葉片調節(jié)方式，大型泵站多采用全調節(jié)式的葉片調節(jié)方式，泵站可供選擇的調節(jié)方案比較單一，特別是水位變化較大時，泵站的高效安全運行得不到保證。本文基于模型泵裝置能量試驗，分析了軸流泵變角和變速各自的運行特點，對在變速實驗中得到的高效點的流量與轉速值進行擬合，驗證了水泵的比例律關系，為泵站調節(jié)經濟運行提供依據。

1 模型試驗概述

1.1 泵裝置簡介

泵裝置模型試驗采用鐘形進水流道。水泵裝置模型比尺為1∶5.733，模型泵名義葉輪直徑D為300 mm，葉片間隙0.2 mm左右，輪轂比為0.4，葉片數(shù)為4，采用 黃銅經數(shù)控加工成型。

1.2 試驗臺簡介

試驗在揚州大學高精度水力機械試驗臺上進行。試驗臺鑒定，效率測試系統(tǒng)綜合誤差為±0.39%，滿足國家標準GB/T 18149-2000和中華人民共和國水利部行業(yè)標準SL140-2006 精度要求，通過國家計量認證。試驗臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，總長度60.0 m，管道直徑為0.5 m(僅在安裝電磁流量計的前后10倍直管段為直徑0.4 m的管道)，整個系統(tǒng)內水體積為50 m3。試驗臺可進行泵裝置模型的能量試驗、汽蝕試驗、飛逸特性試驗、水輪機工況試驗、模型泵裝置過渡特性、內特性試驗等。本文在該試驗臺進行了泵裝置能量試驗研究。試驗臺如圖1所示。

圖1 試驗臺簡圖Fig.1 simple figure of the test bench 注：1-進水箱；2-受試泵裝置及驅動電機；3-壓力出水箱；4-分叉水箱；5-流量原位標定裝置；6-工況調節(jié)閘閥；7-穩(wěn)壓整流筒；8-電磁流量計；9-系統(tǒng)正反向運行控制閘閥；10-輔助泵機組。

2 變角調節(jié)

2.1 變角調節(jié)方式

大型泵站工程根據實際運行水位普遍采用變角調節(jié)的方法來改變水泵運行工況。變角調節(jié)就是通過改變軸流泵葉片的安放角，使水泵性能發(fā)生變化，以達到調節(jié)目的。葉片角度調節(jié)有半調節(jié)和全調節(jié)2種方式[4]。半調節(jié)方式中，水泵葉輪的葉片通常用緊固螺栓固定在輪轂上，葉片和輪轂上刻有指示線和角度線，在調節(jié)時松開螺母，即可轉動葉片，一般在檢修時進行,故不能實時調節(jié)。采用全調節(jié)方式時，可以通過液壓系統(tǒng)或機械調節(jié)機構調節(jié)葉片角度，可進行實時調節(jié)，便于自動化控制，但成本較大，泵裝置結構復雜，并且存在一定的不確定性[5]。

2.2 試驗方法

本次模型泵試驗由于實驗條件限制采用半調節(jié)的調節(jié)方式。分別測試了5個不同葉片安放角度(-2 、0 、+2 、+4 、+6°)在轉速為1 433 r/min下的泵裝置能量特性。每次試驗除調節(jié)角度不同外，保持其他參量不變。以0°葉片安放角為例，介紹試驗注意事項如下：試驗開始前，先測出空載扭矩，用來校正數(shù)據；通過揚程表對補水后的系統(tǒng)排氣，以減小試驗誤差；由于水溫變化會對扭矩零點產生影響，試驗前要根據水溫變化設置扭矩儀系數(shù)，降低水溫變化對試驗精度的影響(在同一次試驗中，由于試驗時間較短，短時間內水溫變化不大，忽略試驗中的水溫變化影響)；試驗中，通過自動調節(jié)旋鈕控制蝶閥開度來調節(jié)工況，得出該角度下的工況性能曲線。各角度性能曲線如圖2所示(從左至右依次為-2°、0°、+2°、+4°、+6°)。

圖2 變角性能曲線Fig.2 Performance curve of the variable angle

2.3 變角性能曲線的分析

試驗結果表明：在各自安放角下，高效區(qū)范圍均較寬，在高效區(qū)內調節(jié)揚程范圍也較大；當改變葉片安放角時，各角度下的性能曲線近似平移變化，最高效率點變化不大，在最高效率點工況時對應的揚程改變也很小。總的來說，葉片角度調節(jié)能在較大的流量范圍內保持水泵運行效率基本不變，調節(jié)流量效果明顯，是比較經濟的工況調節(jié)方法，但是在洪水突然來臨且水位變化較大時，在短時間內通過改變角度來調節(jié)揚程是較難實現(xiàn)的。

3 變速調節(jié)

3.1 變速調節(jié)概述

隨著國外大型變頻器的引進，變速調節(jié)的方式在泵站中也逐漸得以使用。變速調節(jié)就是用改變水泵轉速的方法來改變水泵運行工況,具有調節(jié)快速方便、調節(jié)范圍寬等優(yōu)點。水泵轉速的改變，可以通過改變動力機轉速或改變傳動機構的轉速比等方法實現(xiàn)。本次試驗采用改變動力機轉速的方法。由于超額定轉速運轉會對電機造成損害，所以只選擇采用降速運行。本次試驗在+4°安放角下分別做出轉速為1 433(額定轉速)、1 300、1 200、1 100、1 000、900、800 r/min下的能量性能曲線，曲線均在馬鞍區(qū)前結束。試驗步驟同變角調節(jié)方式相似，不再贅述。變速性能曲線見圖3(從左至右依次為800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 433 r/min)。

圖3 變速性能曲線Fig.3 Performance curve of the variable speed

3.2 試驗結果分析

從變速的“流量～揚程曲線”和“流量～效率曲線”可以看到：各個轉速下，最高效率變化不大，高效區(qū)的范圍從高轉速到低轉速呈遞減趨勢，即高轉速下高效區(qū)范圍較寬；在揚程方面，高轉速調節(jié)揚程范圍更寬?？傮w來看，變速調節(jié)時，在最高效率點的流量調節(jié)范圍較大，揚程改變也較大。以效率超過70%來看，各轉速下流量和揚程的范圍如表1所示。

由此擬合了在最高效率點時，流量和轉速的關系如圖4所示，即：

n=3.677 6 Q +1.524 8

圖4 最高效率點流量和轉速關系Fig.4 Relationship between flow rate and speed in the highest efficiency

式中：n、Q分別為轉速和單位流量。

對于同一臺泵，因為DP/DM=1,有水泵的比例律公式：

Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=(n1/n2)2

N1/N2=(n1/n2)3

式中：DP、DM分別表示原型泵和模型泵的葉輪直徑；Q、H、N分別表示流量、揚程和軸功率；角標“1”、“2”分別表示水泵的不同轉速下的工況。

通過對最高效率點流量和轉速的擬合，驗證了變速條件下流量和轉速的關系符合變速相似原理。

根據比例律公式，用1 433 r/min 下的性能曲線驗證其他轉速下的性能曲線結果如圖5所示。

圖5 額定轉速驗證其他轉速Fig.5 Rated speed validate others

3.3 注意事項

需要指出的是，在降速運行時，揚程曲線基本重合，但效率曲線隨降速增加偏差變大。分析原因可能為：由于機械損失在不同轉速下不符合變速相似關系，當轉速減小過大時，導致效率變化較大。因此，降速運行要在一定范圍內進行。另外，考慮在超額定轉速下運轉對電機損害很大，泵站在運行時也應該避免采用超額定轉速運行。綜合考慮，建議降速范圍在額定轉速的1/3以內。

4 結 語

通過模型泵裝置試驗，得出以下結論：當采用變角調節(jié)方式調節(jié)葉片角度時，各角度下的性能曲線高效區(qū)范圍都很寬，調節(jié)流量效果明顯，不同角度下最高效率點對應的揚程變化不大；當采用變速調節(jié)時，在一定范圍內隨著轉速的降低，高效區(qū)范圍逐漸變窄，轉速改變在最高效率點上調節(jié)揚程效果明顯，并且驗證了變速相似原理。將變角調節(jié)和變速調節(jié)兩種方式合理結合，可以最大可能的滿足泵站在高效區(qū)運行的要求，并且起到及時調節(jié)揚程的目的，既經濟安全，又穩(wěn)定高效。

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[1] 儲 訓. 大型水泵變速調節(jié)運行方案[J]. 水泵技術，2001,(1):29-32.

[2] 袁 堯，劉 超. 水泵變角性能的相似關系研究[J]. 水力發(fā)電學報，2013,32(2):276-281.

[3] 馮曉莉，仇寶云. 大型泵站系統(tǒng)運行優(yōu)化模型與節(jié)能效果比較[J]. 農業(yè)工程學報，2012,28(12):46-51.

[4] 劉 超. 水泵及水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2009:60-66.

[5] 袁 堯. 基于蟻群算法和變角相似關系的泵站優(yōu)化運行研究[D]. 江蘇揚州：揚州大學，2013.