睢寧縣凌城泵站軸流泵裝置模型試驗(yàn)

孫丹丹，陳世杰，王 斌，謝傳流，楊 帆

(1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221002;2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225127)

立式軸流泵裝置在我國(guó)大型低揚(yáng)程泵站中應(yīng)用廣泛，具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、安裝檢修方便、投資節(jié)省和制造技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，適用于低揚(yáng)程、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的泵站。我國(guó)已建大型軸流泵站300多座，但在較低揚(yáng)程的條件下運(yùn)行時(shí)，立式軸流泵裝置不易得到較高的水力效率。為了確保泵站實(shí)際運(yùn)行時(shí)的高效、穩(wěn)定和安全，需進(jìn)行泵裝置物理模型試驗(yàn)。該試驗(yàn)可以確定泵站實(shí)際運(yùn)行時(shí)的能量和汽蝕性能，檢驗(yàn)泵裝置在正常運(yùn)行工況下能否高效安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-5]。

1 概 況

凌城泵站位于徐州市睢寧縣境內(nèi)，為立式軸流泵裝置，采用肘形進(jìn)水流道，圓直管出水流道。泵站安裝5臺(tái)1300ZLB型立式軸流泵機(jī)組，配套YL710-16型高壓電機(jī)，單機(jī)功率500 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速370 r/min，葉輪直徑為1 150 mm，單機(jī)設(shè)計(jì)流量5 m3/s。

凌城泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為5.2 m，最高凈揚(yáng)程為7.4 m，最低凈揚(yáng)程為2.8 m，平均凈揚(yáng)程為5.2 m。

2 模型泵裝置試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

泵裝置模型比尺為1∶3.833，水力模型采用揚(yáng)州大學(xué)研發(fā)的ZM55軸流泵水力模型，模型泵名義葉輪直徑為300 mm，實(shí)際葉輪直徑為299.65 mm，輪轂比為0.4，葉片數(shù)為4，用黃銅材料經(jīng)數(shù)控加工成型。DYZM55導(dǎo)葉輪轂直徑為110 mm，葉片數(shù)為7，用鋼質(zhì)材料焊接成型。進(jìn)出水流道采用鋼板焊接制作，模型泵葉輪室設(shè)有觀察窗，便于觀測(cè)葉片處的水流和汽蝕，模型泵裝置見(jiàn)圖1。模型泵安裝檢查：導(dǎo)葉體與葉輪室定位面軸向跳動(dòng)0.10 mm，葉輪輪轂外表面徑向跳動(dòng)0.08 mm，葉頂間隙控制在0.20 mm以內(nèi)。

圖1 凌城站泵裝置模型Fig.1 Model of pump plant in Lingcheng station

2.2 試驗(yàn)臺(tái)布置

泵裝置模型試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)測(cè)試中心的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

圖2 高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 High precision hydraulic machine test stand 注：1-進(jìn)水箱；2-受試泵裝置及驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3-壓力出水箱；4-分叉水箱；5-稱(chēng)重傳感器；6-流量原位標(biāo)定裝置；7-工況調(diào)節(jié)閘閥；8-穩(wěn)壓整流筒；9-電磁流量計(jì)；10-系統(tǒng)正反向運(yùn)行控制閘閥；11-輔助泵機(jī)組

該試驗(yàn)臺(tái)水力封閉循環(huán)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度為60.0 m，管道直徑為0.5 m，僅在安裝電磁流量計(jì)的前后10倍直管段為直徑0.4 m管道，整個(gè)系統(tǒng)水體積為50 m3。

試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行泵裝置模型性能試驗(yàn)、汽蝕試驗(yàn)、飛逸試驗(yàn)；水輪機(jī)工況試驗(yàn)；模型泵裝置過(guò)渡特性、內(nèi)特性試驗(yàn)；可對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行原位校驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)了由江蘇省科技廳組織的鑒定，效率測(cè)試系統(tǒng)綜合誤差為±0.39%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18149-2000和中華人民共和國(guó)水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL140-2006的精度要求，通過(guò)國(guó)家計(jì)量認(rèn)證，認(rèn)證證書(shū)在有效期內(nèi)。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速

采用直流整流器調(diào)節(jié)模型泵裝置試驗(yàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，泵裝置模型試驗(yàn)額定轉(zhuǎn)速為1 418.3 r/min，實(shí)際試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，試驗(yàn)結(jié)果換算到標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速1 450 r/min。

2.3.2 揚(yáng)程測(cè)量

泵裝置揚(yáng)程H等于泵裝置進(jìn)出口2個(gè)測(cè)壓斷面的總能量差，測(cè)壓斷面見(jiàn)圖3，1-1斷面為進(jìn)口測(cè)壓斷面，2-2斷面為出口測(cè)壓斷面，因此，泵裝置揚(yáng)程就相當(dāng)于泵站上下游水位差，即凈揚(yáng)程。

總能量差等于兩斷面的靜壓差與動(dòng)壓差的代數(shù)和[6]：

(1)

圖3 測(cè)壓斷面示意Fig.3 Sketch map of pressure measuring section

2.3.3 流量測(cè)量

泵裝置模型的流量采用DN400電磁流量計(jì)直接測(cè)量。

2.3.4 軸功率測(cè)量

泵裝置模型機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩主要由軸承與軸封摩擦損失等造成，在機(jī)組無(wú)水運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)出。每次調(diào)整葉片安放角度后先測(cè)試空載轉(zhuǎn)矩，再充水進(jìn)行性能試驗(yàn)。泵軸的轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩，由安裝于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和水泵軸之間的ZJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器直接測(cè)得。軸功率由下式計(jì)算[7]：

(2)

式中：M為模型泵輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；M′為模型泵機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩，N·m；n為模型泵試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，r/min。

2.3.5 轉(zhuǎn)速測(cè)量

通過(guò)電磁感應(yīng)原理測(cè)得安裝于轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器軸上的齒輪在采樣周期T內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)m，在齒輪的齒數(shù)為120齒時(shí)，在采樣周期時(shí)間段內(nèi)泵軸的轉(zhuǎn)速即為：

(3)

2.3.6 汽蝕余量測(cè)量

汽蝕試驗(yàn)保持流量不變，通過(guò)封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)抽真空，逐步減小系統(tǒng)壓力的方法，汽蝕試驗(yàn)保持流量不變，使泵內(nèi)發(fā)生汽蝕。不同系統(tǒng)壓力下的泵裝置有效汽蝕余量值由下式計(jì)算[8]：

(4)

式中：NPSHav為泵裝置有效汽蝕余量，m；Pav為泵裝置進(jìn)水箱測(cè)壓點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng)，由絕對(duì)壓力變送器測(cè)得，Pa；v為泵裝置進(jìn)水箱測(cè)壓斷面平均流速，m/s；Pv為試驗(yàn)水溫下水的飽和蒸汽壓強(qiáng)，Pa；h為絕對(duì)壓力變送器高于泵葉片旋轉(zhuǎn)中心線(泵軸)的高度，m。

測(cè)試過(guò)程中，流量保持常數(shù)，效率下降1%確定為臨界汽蝕余量NPSHre。

2.3.7 飛逸特性測(cè)量

飛逸試驗(yàn)水頭由輔助泵提供，脫開(kāi)扭矩儀與電機(jī)之間的聯(lián)軸器，調(diào)整輔助泵的轉(zhuǎn)速，測(cè)得不同水頭下模型泵裝置反轉(zhuǎn)且輸出力矩為零時(shí)的轉(zhuǎn)速和流量。飛逸特性可用單位轉(zhuǎn)速和單位流量表示，按下式計(jì)算[9,10]：

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的必要補(bǔ)充，在高等教育階段是培養(yǎng)學(xué)生思維能力的不可忽視的重要環(huán)節(jié)．文中敘述了數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展思維教學(xué)的必要性，從實(shí)驗(yàn)性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡确矫嬖敿?xì)介紹了所開(kāi)設(shè)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并以直方圖繪制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，詳細(xì)地探討了面向思維教學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的4個(gè)步驟．實(shí)踐表明，將思維教學(xué)引入數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得了較好的教學(xué)效果，是有益的教學(xué)方法嘗試．

(5)

(6)

式中：n′1,R為單位轉(zhuǎn)速，r/min；Q′1,R為單位流量，m3/s；D為葉輪名義直徑，m；H為上下游總水頭差，m；nR為H值下測(cè)得的轉(zhuǎn)速，r/min；QR為H值下測(cè)得的流量，m3/s。

由式(5)、式(6)計(jì)算出單位轉(zhuǎn)速和單位流量，取出單位轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定時(shí)的數(shù)值作為單位飛逸轉(zhuǎn)速n′1。原型泵不同揚(yáng)程點(diǎn)的實(shí)際飛逸轉(zhuǎn)速可由下式確定：

(7)

式中：nR,P為原型泵的實(shí)際飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；DP為原型泵葉輪直徑，m；HP為原型泵工作點(diǎn)的揚(yáng)程，m。

2.3.8 水泵裝置模型效率計(jì)算

水泵裝置模型效率為扣除機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩后的數(shù)值，由下式計(jì)算[11-15]：

(8)

式中：η為水泵裝置模型效率，%；Q為模型泵裝置流量，m3/s；H為模型泵裝置揚(yáng)程，m；ρ為試驗(yàn)實(shí)時(shí)水體密度，kg/m3；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2。

當(dāng)水溫變化較大時(shí)，應(yīng)按實(shí)測(cè)水溫修正密度ρ。本試驗(yàn)臺(tái)回路系統(tǒng)容積較大，一次試驗(yàn)過(guò)程中水溫變化較小。試驗(yàn)水溫以開(kāi)機(jī)后穩(wěn)定運(yùn)行20 min后的實(shí)測(cè)水溫取值，并認(rèn)為一次試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)水溫為恒定。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 能量性能試驗(yàn)

模型試驗(yàn)測(cè)試了5個(gè)葉片安放角度(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)的能量性能。圖4為相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)圖。同一轉(zhuǎn)速，相同工況下，隨著葉片安放角度的增加，揚(yáng)程逐漸增大。各角度最優(yōu)工況參數(shù)見(jiàn)表1。在葉片安放角為+2°時(shí)立式軸流泵裝置最高效率達(dá)80.2%，此時(shí)泵裝置的流量為383.29 L/s，揚(yáng)程為5.303 m。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理得到凌城站水泵裝置模型綜合特性曲線，見(jiàn)圖5(轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，葉輪直徑為300 mm)。凌城站原型泵裝置綜合特性曲線，見(jiàn)圖6(轉(zhuǎn)速為370 r/min，葉輪直徑為1 150 mm)。

圖4 凌城站水泵裝置模型能量性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 The energy performance test data diagram of pump plant model in Lingcheng station

葉片角度/(°)最優(yōu)效率點(diǎn)參數(shù)流量/(L·s-1)揚(yáng)程/m軸功率/kW效率/%-4297.545.42119.95579.08-2308.956.03323.13478.820364.384.87622.05478.81+2383.295.30324.80480.17+4394.735.62527.41379.23

圖5 凌城泵站泵裝置模型綜合特性曲線Fig.5 Thecomprehensive characteristic curve of pump unit model in Lingchengpumping station

圖6 凌城站原型泵裝置綜合特性曲線Fig.6 The integrated characteristic curve of prototype pump unit at Lingcheng station

3.2 汽蝕性能試驗(yàn)

水泵裝置模型的汽蝕試驗(yàn)采用定流量的能量法，取水泵裝置模型效率較其性能點(diǎn)低1%的有效汽蝕余量作為臨界汽蝕余量(以葉輪中心為基準(zhǔn))。圖7～圖11為各葉片角度不同流量點(diǎn)的汽蝕試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，圖12為臨界汽蝕余量曲線。在綜合特性曲線中用等臨界汽蝕余量曲線表示。

圖7 -4°汽蝕性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.7 -4°data diagram of cavitation performance test

圖8 -2°汽蝕性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.8 -2°data diagram of cavitation performance test

圖9 0°汽蝕性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.9 0°data diagram of cavitation performance test

圖10 +2°汽蝕性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.10 +2°data diagram of cavitation performance test

圖11 +4°汽蝕性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.11 +4°data diagram of cavitation performance test

圖12 凌城站水泵裝置模型臨界汽蝕余量曲線Fig.12 The critical cavitation curve of pump device in Lingcheng station

試驗(yàn)結(jié)果表明，模型泵裝置在設(shè)計(jì)揚(yáng)程附近汽蝕性能最優(yōu)，臨界汽蝕余量在6.0 m以下，在較大的運(yùn)行范圍內(nèi)，該軸流泵的汽蝕性能均可滿足泵裝置安全運(yùn)行的要求。

3.3 飛逸特性試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的切換，調(diào)節(jié)輔助泵使水泵運(yùn)行系統(tǒng)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，扭矩儀不受力，測(cè)試不同揚(yáng)程下模型泵的轉(zhuǎn)速，各葉片安放角下的單位飛逸轉(zhuǎn)速見(jiàn)表2。按公式計(jì)算得到各角度下原模型泵飛逸轉(zhuǎn)速見(jiàn)表3，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理可得凌城站原型泵飛逸特性曲線，如圖13。

試驗(yàn)結(jié)果表明，同一葉片安放角下，飛逸轉(zhuǎn)速隨揚(yáng)程的增 加而增加；泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度增大而減?。辉谌~片角度為+4°，最高凈揚(yáng)程為7.40 m時(shí)，最小飛逸轉(zhuǎn)速為636.3 r/min，為額定轉(zhuǎn)速1.72倍；在葉片角度為-4°，最高凈揚(yáng)程為7.40 m時(shí)，最大飛逸轉(zhuǎn)速為704.9 r/min，為額定轉(zhuǎn)速1.91倍。

表2 各葉片安放角下的單位飛逸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)Tab.2 The blade unit runaway speed data under the table angle

表3 各葉片安放角下原模型泵飛逸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)(最高凈揚(yáng)程7.4 m時(shí))Tab.3 The blade angle under the original model of pumprunaway speed data table (highest net lift 7.4 m)

圖13 凌城站原型泵飛逸特性曲線Fig.13 The runaway characteristics of prototype pump in Lingcheng station

4 結(jié)論與建議

在優(yōu)化進(jìn)出水流道的基礎(chǔ)上制作了模型泵裝置并進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，獲得了凌城站水泵模型裝置的能量、汽蝕和飛逸特性。

(1)能量試驗(yàn)結(jié)果表明，在葉片安放角+2°時(shí)，該泵裝置的最高效率達(dá)80.2%，此時(shí)泵裝置揚(yáng)程為5.303 m，流量為383.29 L/s；在設(shè)計(jì)揚(yáng)程5.20 m時(shí)，該原型泵裝置流量為5.4 m3/s，滿足凌城站單機(jī)組設(shè)計(jì)流量要求；模型泵最大運(yùn)行揚(yáng)程超過(guò)8.7 m，對(duì)應(yīng)原型泵裝置揚(yáng)程為8.324 m，滿足凌城站最大揚(yáng)程7.40 m的運(yùn)行要求。

(2)汽蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，模型泵裝置在葉片安放角0°時(shí)，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程附近臨界汽蝕余量在5.50 m以下，汽蝕比轉(zhuǎn)速大于1 500。在凈揚(yáng)程2.80～7.40 m時(shí)，該軸流泵的汽蝕性能均可滿足泵裝置安全運(yùn)行的要求。

(3)飛逸試驗(yàn)結(jié)果表明，泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度增大而減小。在葉片角度為-4°，最高凈揚(yáng)程為7.40 m時(shí)，最大飛逸轉(zhuǎn)速為704.9 r/min，為額定轉(zhuǎn)速1.91倍，此飛逸轉(zhuǎn)速較大，應(yīng)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善設(shè)計(jì)。

(4)原型泵裝置在葉片安放角+2°時(shí)，可能出現(xiàn)的最大軸功率為426 kW，考慮配套電機(jī)功率500 kW余量充裕，建議原型泵葉片安放角放在+1°運(yùn)行，這樣在設(shè)計(jì)揚(yáng)程5.2 m時(shí)，流量可達(dá)到5.21 m3/s，泵裝置效率可達(dá)到79.0%，臨界汽蝕余量同樣滿足水泵安全運(yùn)行的要求。

□

[1] 周濟(jì)人, 湯方平, 石麗建,等. 基于CFD的軸流泵針對(duì)性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015,46(8):42-47.

[2] 戴 景, 戴啟璠. 南水北調(diào)東線淮安二站泵裝置模型試驗(yàn)研究[J]. 人民長(zhǎng)江, 2016,47(12):95-98.

[3] 姜成啟, 張 占, 陳方亮,等. 南水北調(diào)東線工程睢寧二站導(dǎo)葉式混流泵裝置模型試驗(yàn)分析[J]. 水泵技術(shù), 2012,(4):15-17.

[4] 徐 磊, 陸林廣, 陳 偉,等. 邳州站豎井式貫流泵裝置模型試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2012,31(2):120-123.

[5] 劉 君, 段宏江, 劉立峰,等. 低揚(yáng)程立式軸流泵裝置模型試驗(yàn)研究[J]. 水泵技術(shù), 2011,(6):1-6.

[6] 高 欽, 郭 江, 李平雙. 博斯騰湖東泵站泵裝置模型試驗(yàn)研究[J]. 水泵技術(shù), 2005,(5):43-45.

[7] 劉潤(rùn)根, 馬曉忠, 詹 磊. 黃家壩30°斜式軸流泵裝置模型試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2016,(2):109-111.

[8] 陳容新, 關(guān)醒凡, 王 偉,等. 雙向豎井貫流泵站模型泵裝置模型試驗(yàn)[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007,25(1):33-37.

[9] 楊 帆, 湯方平, 劉 超,等. 大型低揚(yáng)程立式蝸殼混流泵裝置模型試驗(yàn)研究及分析[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2013,32(3):234-240,257.

[10] 劉潤(rùn)根, 張弋揚(yáng). 南昌市新洲老泵站改建工程潛水泵裝置模型試驗(yàn)研究[J]. 水泵技術(shù), 2015,(3):44-48.

[11] 王麗慧, 施 偉, 沈昌榮,等. 立式軸流泵裝置模型水力性能數(shù)值分析及預(yù)測(cè)[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2016,34(9):767-773.

[12] 石麗建, 湯方平, 謝榮盛,等. 基于CFD計(jì)算的軸流泵改型設(shè)計(jì)和效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015,31(4):97-102.

[13] 徐 磊, 陸林廣, 王 剛,等. 泵段、水泵模型測(cè)試段與泵段效率修正[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2012,31(3):209-216.

[14] Kaya D. Experimental study on regaining the tangential velocity energy of axial flow pump[J]. Energy Conversion & Management, 2003,44(11):1 817-1 829.

[15] Furukawa A, Shigemitsu T, Watanabe S. Performance test and flow measurement of contra-rotating axial flow pump[J]. Journal of Thermal Science, 2007,16(1):7-13.