貫流泵模型裝置能量特性相關(guān)試驗(yàn)分析

李 超， 袁 堯， 單陸丹， 楊 帆， 許旭東

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009； 2.江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210017；3.淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 淮安 223005)

貫流泵裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，開挖深度小，平面尺寸小，水力性能好，裝置效率高等特點(diǎn)，按照結(jié)構(gòu)型式分類，可分為燈泡式貫流泵裝置、軸伸式貫流泵裝置和豎井式貫流泵裝置[1]。泵裝置主要由葉輪、導(dǎo)葉體及進(jìn)、出水流道組成，這些部件對貫流泵裝置性能都有不同程度的影響，泵裝置能量性能的高低不僅關(guān)系到能耗程度，也影響著泵裝置的安全穩(wěn)定，開展不同過流部件對泵裝置能量性能影響程度的研究就顯得十分有意義[2-4]。如孟凡等[5]研究了導(dǎo)葉位置對雙向貫流泵裝置水力性能的影響；張松等[6]通過對貫流泵S形彎管和流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提升了泵裝置的能量性能；梁豪杰等[7]對貫流泵裝置的葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了低轉(zhuǎn)速比高效水力模型；孫振興等[8]對潛水軸流泵出水流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低了水力損失，提高了泵裝置的水力性能。

本文通過泵裝置模型試驗(yàn)研究了出水流道型式、導(dǎo)葉體及轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)對泵裝置能量性能的影響，并通過能耗分析論證了特低揚(yáng)程(2.0 m以下)時(shí)，貫流泵裝置優(yōu)于立式泵裝置。

1 試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)裝置

貫流泵裝置模型試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)為一立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)主管道直徑為0.5 m，總長度60.0 m，系統(tǒng)水體總?cè)莘e約60.0 m3。試驗(yàn)臺(tái)主要由汽蝕筒、壓力水箱、氣液分離筒、電磁流量計(jì)、輔助泵、調(diào)節(jié)閘閥、管路等組成。試驗(yàn)臺(tái)效率測試的綜合不確定度為±0.39%。試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 出水流道對泵裝置性能的影響

虹吸式出水流道由擴(kuò)散段、出水彎管段、上升段、駝峰段、下降段及出口段等部分組成。虹吸式出水流道可阻斷出水池最高運(yùn)行水位且斷面方式簡單可靠，因此在大型立式泵站中得到了廣泛地應(yīng)用[9]。直管式出水流道形狀簡單，施工方便，在貫流泵裝置中均采用直管式出水流道。目前，此2種出水流道對貫流泵裝置能量性能影響的試驗(yàn)研究較少，通過物理模型試驗(yàn)研究了2種不同出水流道型式對貫流泵裝置能量性能的影響，試驗(yàn)方案A：采用直管式出水流道；方案B：采用虹吸式出水流道。2種出水流道的水平投影長度及進(jìn)、出口斷面的尺寸均相同，泵裝置示意圖見圖2。通過試驗(yàn)分析比較了2種出水流道對裝置性能的影響。

圖2 泵裝置單線圖

不同方案的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。定義圖3中某工況點(diǎn)，該工況點(diǎn)對應(yīng)的流量為Q1，揚(yáng)程H1，效率η1，在流量大于Q1時(shí)，相同流量時(shí)方案B的裝置揚(yáng)程大于方案A的裝置揚(yáng)程，方案B的效率明顯高于方案A。在流量小于Q1時(shí)，相同流量時(shí)方案A的裝置揚(yáng)程大于方案B的裝置揚(yáng)程，方案A的效率略高于方案B的效率。

圖3 不同出水流道的泵裝置能量性能曲線

對僅出水流道不同的泵裝置，裝置效率的差異僅體現(xiàn)在出水流道的水力損失方面，出水流道水力損失與流量不成2次方關(guān)系，而與導(dǎo)葉體出口流態(tài)有關(guān)，不同工況時(shí)，導(dǎo)葉體出口的速度分布對出水流道水力性能影響均不相同，出水流道水力損失計(jì)算可表示為

Δhout=hy+hj+hΓ

(1)

式中：Δhout為出水流道總水力損失；hy為出水流道沿程損失；hj為出水流道局部損失；hΓ為環(huán)量損失。

式(1)中等號右邊第一項(xiàng)與第二項(xiàng)之和的損失值與流量成二次方關(guān)系，而第三項(xiàng)為環(huán)量損失，損失值與導(dǎo)葉出口各點(diǎn)環(huán)向速度大小相關(guān)。在相同流量(大于Q1)時(shí)，

虹吸式出水流道的沿程水力損失比直管式沿程水力損失大，局部損失大于直管式出水流道，試驗(yàn)結(jié)果表明虹吸式出水流道的總水力損失小于直管式出水流道的總水力損失，表明虹吸式出水流道的環(huán)量損失小于直管式出水流道。在低揚(yáng)程時(shí)，虹吸式出水流道對環(huán)量的回收能力大于直管式出水流道。虹吸式出水流道比直管式出水流道回收環(huán)量的能力要強(qiáng)，壓能恢復(fù)系數(shù)較高，因虹吸式出水流道和直管式出水流道在流道寬度和水平投影長度相同時(shí)，虹吸式出水流道的實(shí)際長度大于直管式出水流道，虹吸式出水流道的擴(kuò)散更為平緩。本文所得結(jié)論與文獻(xiàn)[7]通過透明流道模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算所得結(jié)論相同。

2.2 導(dǎo)葉體對泵裝置性能的影響

首先為說明導(dǎo)葉體自身對貫流泵裝置性能的影響，對有、無導(dǎo)葉體的貫流泵裝置分別進(jìn)行了能量性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。有導(dǎo)葉體時(shí)泵裝置效率略高，當(dāng)流量大于Q1時(shí)，無導(dǎo)葉的泵裝置效率較高，總體性能非常接近，與其他泵裝置中反映出來的性能有很大的不同，文獻(xiàn)[8]對軸流泵泵段的試驗(yàn)，得出有、無導(dǎo)葉對軸流泵性能的影響非常明顯，最高效率下降較大，而在貫流泵裝置中變化不明顯，主要因燈泡貫流泵裝置中的燈泡體導(dǎo)葉體自身對燈泡貫流泵裝置性能的影響不大，為了進(jìn)一步研究導(dǎo)葉片形狀對裝置性能的影響，通過對貫流泵裝置模型試驗(yàn)，分析了兩副導(dǎo)葉對泵裝置性能的影響，兩副導(dǎo)葉體的葉片數(shù)相同。方案A：導(dǎo)葉片為彎導(dǎo)葉；方案B：導(dǎo)葉片為直導(dǎo)葉，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知，2種導(dǎo)葉體對泵裝置能量性能的影響差異性較大，方案A泵裝置的最高效率點(diǎn)比方案B泵裝置最高效率點(diǎn)偏向小流量工況；在高效工況往小流量方向偏移時(shí)彎導(dǎo)葉的性能明顯優(yōu)于直導(dǎo)葉，往大流量方向偏移時(shí)，直導(dǎo)葉水力性能則更優(yōu)異。依據(jù)實(shí)際泵站的揚(yáng)程，合理設(shè)計(jì)導(dǎo)葉體對提高泵裝置效率起到重要的作用。在2種不同導(dǎo)葉體時(shí)，泵裝置的軸功率曲線基本重合，表明轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)屬于大雷諾數(shù)湍流，慣性力起主導(dǎo)作用，導(dǎo)葉體對轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)的影響較小，導(dǎo)葉體對泵裝置能量性能的影響主要通過動(dòng)能的回收及其回收過程產(chǎn)生的水力損失來改變裝置高效區(qū)的分布。

圖4 有無導(dǎo)葉體的泵裝置性能曲線

圖5 不同導(dǎo)葉體的泵裝置性能曲線

2.3 葉片數(shù)對泵裝置性能的影響

轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)對泵裝置能量性能的影響是顯著的。通過物理模型試驗(yàn)研究了葉片數(shù)變化對貫流泵裝置性能的影響，因僅改變轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，反映的是葉柵稠密度的變化。試驗(yàn)方案A：轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為3；方案B：轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為4。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

方案B泵裝置的揚(yáng)程、流量曲線斜率比方案A大，最優(yōu)工況時(shí)方案B泵裝置的流量相比方案A的流量僅相差了1.39%，在最優(yōu)工況向小流量偏移時(shí)，方案B泵裝置的效率略高于方案A，說明葉柵稠密度的變化對泵裝置的效率影響較小。葉片數(shù)的適當(dāng)增加，可降低葉輪的比轉(zhuǎn)數(shù)，提高泵裝置揚(yáng)程。

圖6 不同葉片數(shù)時(shí)裝置性能曲線

圖7 不同泵裝置能量性能曲線

3 泵裝置的能耗比對分析

對貫流泵裝置與普通立式軸流泵裝置進(jìn)行能耗分析，兩套泵裝置最高效率所處角度的外特性曲線如圖7所示。在較低揚(yáng)程時(shí)，假設(shè)兩套泵裝置提水量均為1.0×106m3時(shí)，在揚(yáng)程3.0 m、2.0 m及1.0 m時(shí)，貫流泵與立式泵模型裝置耗能的計(jì)算結(jié)果見表1。泵站泵機(jī)組裝置耗能(電能)可用下式表示：

(2)

式中：E為耗電量，kW·h；Q為 裝置流量，m3/s；r為水容重；Hi為提水高度，m；t為運(yùn)行時(shí)間，h；ηE為裝置效率，%。

由表1的計(jì)算結(jié)果可得：在相同的提水量時(shí)，提水高度均為3.0 m時(shí)，立式軸流泵裝置耗能比貫流泵的耗能減小了約9.7%，但在提水高度為2.0 m與1.5 m時(shí)，貫流泵裝置的耗能明顯低于立式軸流泵泵裝置。貫流泵裝置的進(jìn)、出水流道相對平順，而立式軸流泵裝置流道彎曲，轉(zhuǎn)角較大，貫流泵裝置流道比較短，立式軸流泵裝置流道比較長，從水力學(xué)原理分析可知，立式軸流泵裝置流道的局部損失和沿程損失總和要比貫流泵裝置的流道大。

4 結(jié) 論

貫流泵裝置的各過流部件對泵裝置能量性能均有影響，合理地確定各過流部件是值得深入研究的問題。在低揚(yáng)程工況時(shí)貫流泵裝置采用虹吸式出水流道的水力損失小于直管式出水流道；有、無導(dǎo)葉體對燈泡貫流泵裝置性能的影響較小，導(dǎo)葉片的形狀影響其回收環(huán)量的能力，從而改變泵裝置最優(yōu)工況性能參數(shù)，但導(dǎo)葉體對轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)的影響較小。葉柵稠密度的變化對泵裝置的效率影響較小，適當(dāng)增加葉片數(shù)，可降低轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)數(shù)，提高揚(yáng)程。對貫流泵裝置和立式軸流泵裝置的能耗計(jì)算，表明在特低揚(yáng)程(低于2.0 m)時(shí)貫流泵裝置的能耗明顯低于軸流泵裝置。

表1 能耗計(jì)算表