雙向豎井貫流泵裝置物理模型試驗(yàn)及分析

袁 堯，金海銀，許旭東，張一祁，楊 帆

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210017；2.江陰市澄江水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇無錫 214400；3.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127）

0 引言

豎井貫流泵裝置作為一種常用的低揚(yáng)程貫流泵站結(jié)構(gòu)型式，廣泛應(yīng)用于我國南水北調(diào)東線工程及城市防洪排澇工程中［1］。豎井貫流泵裝置將電機(jī)、齒輪箱安裝于豎井中，流道中軸線從進(jìn)口至出口呈直線形，流道平順無彎曲，流態(tài)較平穩(wěn)，水力損失小，泵裝置效率高，不但土建工程量小，施工也比較方便，水流從豎井兩側(cè)流過，廠房高度低。雙向豎井貫流泵裝置可應(yīng)用于抽排與引水相結(jié)合的綜合運(yùn)用工況，適合低洼地區(qū)的實(shí)際運(yùn)用。

對豎井貫流泵裝置的研究，學(xué)者們已開展了研究工作并取得了相應(yīng)的研究成果。文獻(xiàn)［2-4］采用物理模型及數(shù)值模擬技術(shù)對單向豎井貫流泵裝置的內(nèi)流場及水力性能參數(shù)進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)［5-7］分析了豎井貫流泵裝置的豎井型線的演化規(guī)律、出水流道結(jié)構(gòu)型式及豎井流道的標(biāo)準(zhǔn)化。文獻(xiàn)［8-9］對前置豎井貫流泵裝置的導(dǎo)葉體位置及流道三維型線優(yōu)化開展了研究工作。文獻(xiàn)［10-11］提出了新型豎井貫流泵裝置的結(jié)構(gòu)型式，并對該新型泵裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)的研究分析。當(dāng)前，學(xué)者們對豎井貫流泵裝置的研究主要采用數(shù)值模擬方法，因泵裝置物理模型試驗(yàn)成本較高且周期長，物理模型試驗(yàn)被用于泵裝置性能的研究較少，鮮見雙向豎井貫流泵裝置的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為確保定波水利樞紐雙向豎井貫流泵站的高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行，且根據(jù)GB 50265—2010第9.1.4節(jié)要求，當(dāng)葉輪直徑大于1.60 m時(shí)宜對泵裝置進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，本文以錫澄運(yùn)河定波水利樞紐工程為研究背景，對雙向豎井貫流泵裝置進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，獲取正、反向運(yùn)行工況時(shí)雙向豎井貫流泵裝置的能量性能、汽蝕性能及飛逸特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以期為同類泵站的裝置結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

1 工程概況

1.1 工程組成

錫澄運(yùn)河定波水利樞紐工程是錫澄運(yùn)河整治工程的重要組成部分，工程位于錫澄運(yùn)河與長江交匯口處，是錫澄運(yùn)河（黃昌河～長江段）整治工程通江口門的重要組成部分。定波水利樞紐工程總體布置采用閘站結(jié)合一字式的布置形式，節(jié)制閘位于河道東側(cè)，泵站及管理區(qū)布置在河道西側(cè)，節(jié)制閘與泵站采用集中緊湊型的合建布置形式。定波水利樞紐工程主要功能是聯(lián)合河道治理擴(kuò)大區(qū)域洪水北排長江的能力，提高武澄錫虞區(qū)防洪除澇能力，增強(qiáng)區(qū)域引江能力和水資源調(diào)控能力，增強(qiáng)區(qū)域河網(wǎng)水動(dòng)力，提高區(qū)域水環(huán)境容量。

1.2 泵站主要設(shè)計(jì)參數(shù)

定波水利樞紐工程雙向豎井貫流泵站具有正向排水、反向引水的功能，泵站設(shè)計(jì)總排水流量為120 m3/s，采用4臺(tái)豎井貫流泵機(jī)組，單機(jī)流量為30 m3/s，葉輪直徑為3 000 mm，采用快速閘門斷流，液壓啟閉機(jī)啟閉，配4臺(tái)10 kV同步電動(dòng)機(jī)，單機(jī)功率為1 600 kW，總裝機(jī)容量6 400 kW。泵站流道采用豎井流道和平直管流道，在正向運(yùn)行時(shí)，雙向豎井貫流泵裝置以豎井流道為進(jìn)水流道，平直管流道為出水流道；在反向運(yùn)行時(shí)，平直管流道為進(jìn)水流道，豎井流道為出水流道，雙向豎井貫流泵裝置的三維模型如圖1所示。定波水利樞紐泵站運(yùn)行水位及特征揚(yáng)程見表1（表中總揚(yáng)程為凈揚(yáng)程與攔污柵、門槽水力損失之和）。

圖1 雙向豎井貫流泵裝置三維模型

表1 泵站運(yùn)行水位及特征揚(yáng)程組合 m

2 泵裝置模型試驗(yàn)

2.1 泵裝置物理模型

雙向豎井貫流泵裝置的模型幾何比尺為1：10，雙向貫流泵水力模型采用揚(yáng)州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的SZM35，模型泵葉輪名義直徑D為300 mm。葉輪的輪轂比為0.40，葉片數(shù)為4，葉輪模型如圖2（a）所示。導(dǎo)葉體的輪轂直徑為120 mm，葉片數(shù)為5，導(dǎo)葉體模型如圖2（b）所示。葉輪室定位面與導(dǎo)葉體軸向跳動(dòng)0.10 mm，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)，均滿足SL 140—2006的規(guī)定要求。

圖2 雙向豎井貫流泵裝置物理模型

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）5 種葉片安放角（-8°，-6°，-4°，-2°，0°）時(shí)雙向豎井貫流泵裝置模型在正、反向運(yùn)行工況下能量性能試驗(yàn)。

（2）5 種葉片安放角（-8°，-6°，-4°，-2°，0°）時(shí)雙向豎井貫流泵裝置模型在正、反向5個(gè)特征揚(yáng)程工況的空化性能試驗(yàn)。

（3）3種葉片安放角（-8°，-4°，0°）時(shí)雙向豎井貫流泵裝置模型正、反向飛逸特性試驗(yàn)。

雙向豎井貫流泵裝置物理模型試驗(yàn)按照SL 140—2006［13］的規(guī)定要求進(jìn)行，其中 6.1.3節(jié)規(guī)定：每個(gè)葉片安放角的泵裝置能量性能試驗(yàn)點(diǎn)不少于15個(gè)測點(diǎn)，臨界汽蝕余量的確定按流量保持常數(shù)，改變有效汽蝕余量NPSHa值至效率下降1%確定。

2.3 高精度水力機(jī)械試驗(yàn)系統(tǒng)

泵裝置物理模型性能試驗(yàn)在江蘇省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，該試驗(yàn)臺(tái)的綜合不確定度為±0.39%，符合SL 140—2006的精度要求，試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。該試驗(yàn)臺(tái)為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，管路總長為60.0 m，主體管道直徑為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。

圖3 高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)

2.4 試驗(yàn)方法

泵裝置模型的流量采用電磁流量計(jì)直接測量，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)的額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min。

泵裝置揚(yáng)程為泵裝置進(jìn)出口兩測壓斷面的總能頭差，測壓斷面如圖4所示，圖中1-1斷面為進(jìn)口測壓斷面，2-2斷面為出口測壓斷面?？偹^差等于2個(gè)斷面靜壓差與動(dòng)壓差的代數(shù)和，如下式所示：

圖4 測壓斷面示意

由于進(jìn)、出口測壓斷面過水?dāng)嗝娣e基本相等，且流速很小，因此，動(dòng)壓差近似為零。

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JC1A200型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器直接測得。軸功率由下式計(jì)算：

式中 n——模型泵試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，r/min；

M——模型泵輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；

M'——模型泵機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩，N·m。

空化性能試驗(yàn)是在保持流量不變，通過封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)抽真空，逐步減小系統(tǒng)壓力的方法，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：

式中 NPSHa—— 空化余量，m；測試過程中，流量保持常數(shù)，效率下降1%確定為臨界汽蝕余量；

Pav—— 泵裝置進(jìn)水箱測壓點(diǎn)的絕對壓強(qiáng)，Pa；

Pv——試驗(yàn)水溫下水的飽和蒸汽壓強(qiáng)，Pa；

h —— 絕對壓力變送器高于貫流泵葉片旋轉(zhuǎn)中心線（泵軸）的高度值，m。

飛逸試驗(yàn)水頭由輔助泵提供，測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：

nR——H值下測得的轉(zhuǎn)速，r/min；

D ——葉輪名義直徑，m；

H ——上下游總水頭差，m；

QR——H值下測得的流量，m3/s。取出當(dāng)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。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：

式中 nR，P——原型泵的實(shí)際飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；

HP——原型泵工作點(diǎn)的揚(yáng)程，m；

DP——原型泵葉輪直徑，m。

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：

式中 η ——水泵裝置模型效率，%；

ρ ——試驗(yàn)實(shí)時(shí)水體密度，kg/m3；

g ——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2；

Q ——模型泵裝置流量，m3/s；

H'——模型泵裝置揚(yáng)程，m。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 能量性能試驗(yàn)結(jié)果

雙向豎井貫流泵裝置模型的能量性能試驗(yàn)共測試了 5 種葉片安放角（-8°，-6°，-4°，-2°，0°）時(shí)正、反向工況的雙向豎井貫流泵裝置的能量性能，5種葉片安放角時(shí)雙向豎井貫流泵裝置的最優(yōu)工況性能參數(shù)見表2，3。

表2 雙向豎井貫流泵裝置最優(yōu)工況性能參數(shù)（正向運(yùn)行）

表3 雙向豎井貫流泵裝置最優(yōu)工況性能參數(shù)（反向運(yùn)行）

根據(jù)雙向豎井貫流泵裝置物理模型能量性能試驗(yàn)測試結(jié)果可得定波泵站雙向豎井貫流泵裝置模型的綜合特性曲線，正、反向工況時(shí)泵裝置模型綜合特性曲線如圖5，6所示。

圖5 雙向豎井貫流泵裝置模型綜合特性曲線（正向運(yùn)行）

圖6 雙向豎井貫流泵裝置模型綜合特性曲線（反向運(yùn)行）

由能量性能試驗(yàn)結(jié)果可知，在正向設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.05 m工況時(shí)，雙向豎井貫流泵裝置模型流量為312.62 L/s，泵裝置效率為70.95 %，此時(shí)葉片安放角為-4°；在流量220～330 L/s范圍內(nèi)，雙向豎井貫流泵裝置效率均高于67%，該泵裝置的高效區(qū)運(yùn)行范圍較寬；采用等效率換算準(zhǔn)則，對應(yīng)原型泵裝置正向設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.05 m工況時(shí)，原型泵裝置的流量為31.26 m3/s，高于設(shè)計(jì)流量30 m3/s的運(yùn)行要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

在反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.43 m工況時(shí)，泵裝置模型的流量為301.64 L/s，泵裝置效率達(dá)57.39 %；對應(yīng)原型泵裝置反向揚(yáng)程1.43 m工況時(shí)，流量為30.16 m3/s。

3.2 空化性能試驗(yàn)

泵裝置模型的空化試驗(yàn)采用定流量的能量法，取泵裝置模型效率較其性能點(diǎn)效率下降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)）。

選擇 5 種葉片安放角（-8°，-6°，-4°，-2°，0°）的雙向豎井貫流泵裝置進(jìn)行正反向運(yùn)行工況的空化性能試驗(yàn)，圖7示出正向運(yùn)行時(shí)泵裝置模型空化特性曲線，圖8示出反向模型水泵裝置空化特性曲線。

圖7 模型泵裝置空化特性曲線（正向運(yùn)行）

圖8 模型泵裝置空化特性曲線（反向運(yùn)行）

在葉片安放角-4°時(shí)，泵裝置原型在正、反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.05 m與1.43 m工況時(shí)汽蝕性能優(yōu)異，臨界必需汽蝕余量均低于8 m。

3.3 泵裝置性能綜合不確定度

3.3.1 試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)不確定度

測試流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等所用的電磁流

量計(jì)、差壓變送器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器均經(jīng)過國家認(rèn)可的計(jì)量標(biāo)定部門檢定，標(biāo)定時(shí)間均在有效期內(nèi)。試驗(yàn)臺(tái)泵裝置性能效率測試的系統(tǒng)不確定度為各單項(xiàng)系統(tǒng)不確定度的方和根，即：

式中 （Eη）s—— 系統(tǒng)不確定度，%；

EQ—— 流量測量的系統(tǒng)不確定度，標(biāo)定結(jié)果全量程為±0.18%；

EH—— 靜揚(yáng)程測量的系統(tǒng)不確定度，標(biāo)定結(jié)果全量程為±0.20%；

EM—— 轉(zhuǎn)矩測量的系統(tǒng)不確定度，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器不確定度為±0.20%；

En—— 轉(zhuǎn)速測量的系統(tǒng)不確定度，當(dāng)測量系統(tǒng)的采樣周期為2 s，轉(zhuǎn)速不小于1 000 r/min時(shí)，不確定度為±0.05%。

3.3.2 效率測試的隨機(jī)不確定度

以設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況時(shí)泵裝置模型效率測量的離散程度（見表4）進(jìn)行不確定度計(jì)算，計(jì)算式為：

其中

式中 （Eη）r——隨機(jī)不確定度，%；

t0.95（N-1）—— 對應(yīng)于 0.95 置信率和（N-1）個(gè)自由度的t分布值，t=2.26；

ηi——第次效率測量值；

N ——測量次數(shù)。

表4 泵裝置模型實(shí)測效率數(shù)據(jù)

3.3.3 效率測試綜合不確定度

泵裝置模型效率測試綜合不確定度為系統(tǒng)不確定度和隨機(jī)不確定度的方和根，即：

雙向豎井貫流泵裝置模型試驗(yàn)的效率綜合不確定度滿足 SL 140—2006［13］的要求。

3.4 飛逸性能試驗(yàn)

通過對高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)測試系統(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，測試 3 個(gè)葉片安放角（-8°，-4°，0°）不同揚(yáng)程下模型泵的轉(zhuǎn)速。

正向運(yùn)行工況時(shí)，在各葉片安放角下雙向豎井貫流泵裝置的單位飛逸轉(zhuǎn)速見表5，得到各角度下原模型泵飛逸轉(zhuǎn)速見表6。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理可得定波水利樞紐原型泵正向飛逸特性曲線，如圖9所示。

表5 各葉片安放角時(shí)模型泵單位飛逸轉(zhuǎn)速（正向運(yùn)行）

表6 各葉片安放角時(shí)原型泵飛逸轉(zhuǎn)速（正向運(yùn)行）

圖9 原型泵正向飛逸特性曲線

反向運(yùn)行工況時(shí)，各葉片安放角下雙向豎井貫流泵裝置葉輪的單位飛逸轉(zhuǎn)速見表7，經(jīng)換算各葉片安放角度時(shí)原型泵葉輪飛逸轉(zhuǎn)速見表8。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理可得定波水利樞紐原型泵葉輪正向飛逸特性曲線，如圖10所示。

表7 各葉片安放角下的模型泵葉輪單位飛逸轉(zhuǎn)速（反向運(yùn)行）

表8 各葉片安放角下原型泵飛逸轉(zhuǎn)速（反向運(yùn)行）

圖10 原型泵反向飛逸特性曲線

4 雙向豎井貫流泵裝置內(nèi)流場分析

為進(jìn)一步分析雙向豎井貫流泵裝置內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，采用ANSYS CFX軟件對雙向豎井貫流泵裝置全流道進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬，泵裝置計(jì)算工況參數(shù)與物理模型試驗(yàn)參數(shù)相同，共計(jì)算3個(gè)工況（0.88Qd，Qd和1.22Qd，其中Qd為設(shè)計(jì)流量），數(shù)值計(jì)算選用RNG k-ε湍流模型，該湍流模型已被應(yīng)用于豎井貫流泵裝置內(nèi)流場的分析中［3，6］，邊界條件設(shè)置及計(jì)算方法參照文獻(xiàn)［2-4，6］，本文不再贅述，經(jīng)泵裝置網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性分析，以效率為判斷參數(shù)，泵裝置總網(wǎng)格單元數(shù)量為338萬。

當(dāng)雙向豎井貫流泵裝置的豎井流道作為進(jìn)水流道，平直管流道作為出水流道時(shí)，泵裝置整體水力性能優(yōu)異，對于雙向豎井貫流泵站的運(yùn)行，主要問題在于雙向豎井貫流泵裝置反向運(yùn)行時(shí)，豎井流道作為出水流道是否能滿足設(shè)計(jì)要求，以泵裝置反向運(yùn)行工況為基礎(chǔ)，對雙向豎井貫流泵裝置內(nèi)流場進(jìn)行分析，不同反向運(yùn)行工況時(shí)豎井流道內(nèi)流場如圖11所示。在雙向豎井貫流泵裝置反向運(yùn)行各工況時(shí)，豎井流道為出水流道時(shí)，豎井流道擴(kuò)散段內(nèi)部流態(tài)相對較好，水流擴(kuò)散均勻，未產(chǎn)生大尺度的偏流。不同正向運(yùn)行工況時(shí)，雙向豎井貫流泵裝置內(nèi)部流場如圖12所示，豎井流道作為進(jìn)水流道時(shí)，流道內(nèi)部流線平順，無脫流及漩渦產(chǎn)生。

圖11 不同工況時(shí)豎井流道內(nèi)部流線（反向運(yùn)行）

圖12 不同工況時(shí)豎井流道內(nèi)部流線圖（正向運(yùn)行）

5 結(jié)論

（1）在葉片安放角-4°時(shí)，雙向豎井貫流泵裝置正向設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.05 m時(shí)，泵裝置流量為312.62 L/s，泵裝置效率為70.95%；最高運(yùn)行揚(yáng)程超過4.0 m，滿足定波水利樞紐雙向泵裝置正向最大揚(yáng)程3.29 m的運(yùn)行要求。反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程為1.43 m時(shí)，泵裝置流量為301.64 L/s，泵裝置效率為57.39%；對應(yīng)原型泵裝置反向揚(yáng)程為1.43 m時(shí)，流量為30.16 m3/s；泵裝置最高運(yùn)行揚(yáng)程超過4.0 m，滿足定波水利樞紐雙向泵反向最大揚(yáng)程2.87 m的運(yùn)行要求。

（2）在葉片安放角-4°時(shí)，正、反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程范圍內(nèi)，雙向貫流泵葉輪的臨界必需汽蝕余量均低于8 m，滿足正、反向運(yùn)行時(shí)定波水利樞紐雙向貫流泵葉輪對臨界必需汽蝕余量的要求。

（3）正向運(yùn)行最高凈揚(yáng)程2.99 m工況時(shí)，原型泵葉輪最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.50倍；反向運(yùn)行最高凈揚(yáng)程2.57 m工況時(shí)，原型泵葉輪最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.13倍。葉片安放角越小，單位飛逸轉(zhuǎn)速越高。