特低揚程豎井貫流泵裝置水力特性實驗探討

戴 勇，唐開勝

(泰興市馬甸水利樞紐服務(wù)中心，江蘇 泰興 225434)

1 項目介紹

通過與國內(nèi)某樞紐的泵站相結(jié)合，對豎井貫流泵的裝置水力特性加以分析，該泵站主要是為保證城市雨水的排澇。具體的設(shè)計參數(shù)為：最低揚程為Hmin=0.0m，最高揚程為Hmax=2.0m，凈揚程為H=1.0m，該泵站為特低揚程型泵站。根據(jù)該泵站的主要特性決定運用豎井貫流式的泵裝置。初期則通過選擇泵葉輪直徑3.0m和轉(zhuǎn)速95r/min的4套豎井貫流泵，每臺泵的流量達到25m3/s。并運用平行軸齒輪減速箱在泵和電動機間進行傳動，并且傳動比達到i≈7.83，電動機功率則為900kW[1-2]。

2 實驗裝置和模型的選擇分析

本次選擇在國內(nèi)某實驗平臺開展研究。此次使用的平臺為平面布置式平臺，其主要是由動力和控制以及水力循環(huán)和測量等相關(guān)的主要系統(tǒng)加以組全而成。該平臺所使用的動力設(shè)備為：動力機和潛水輔助泵以及真空泵。動力機則采用直流式電動機，而調(diào)速裝置則使用591C直流式，并且配備LC60BM-CI5F光電編碼器，最終對于轉(zhuǎn)速的有效控制精度可以達到±0.01%。水力系統(tǒng)為：開敞式貯水池100m3、2m×2m×3m移動式鋼箱、75m3水量調(diào)節(jié)池、25m3壓力箱、25m3真控箱、p500回水管等。

平臺參數(shù)：揚程-1-16m，流量0-0.8m2/s，動力機功率40kW、轉(zhuǎn)速0-1600r/min。平臺布置圖，見圖1。

圖1 實驗平臺平面布置圖

依據(jù)該泵站的現(xiàn)實運行情況顯示，選擇水力模型時應(yīng)當(dāng)選擇高于轉(zhuǎn)數(shù)ns1200以上的低揚程軸流泵的相關(guān)模型。通過一系列的對比，決定選擇350ZMB-3.8模型，其揚程4.55m，流量402.49L/s，效率η=87.81%[3]。

3 本次實驗測量的主要參數(shù)

1)流量Q：針對流量的實際測量選擇使用LDG-500型電磁流量計，并由轉(zhuǎn)換器直接的獲取，并同時利用計算機進行詳細(xì)的記錄以及顯示；另外，將統(tǒng)流管流速流量計安裝在電磁流量計的前部，然后利用二次儀表對差壓水柱和流速以及流量值進行直接的采集。

2)裝置揚程Hsy：通過建立于進口壓力與出水壓力的水箱壁處測量點，然后選擇相應(yīng)的斷面，街壓力穩(wěn)定之后與差壓變送器進行直接連接，而水泵裝置的揚程在忽略相應(yīng)損失后的計算為：

(1)

研究使用的平臺水箱由于過水?dāng)嗝娣e較大，因此υ1≈υ2。壓差變送器應(yīng)當(dāng)安裝于高壓和低壓進口管的統(tǒng)一高程范圍內(nèi)，所以z1=z2，水泵裝置的揚程Hsy=(p1-p2)/ρg，而水泵裝置揚程Hsy(m)則為差壓變送器的mH2O讀數(shù)。

3)扭矩T和軸功率P以及轉(zhuǎn)速n：利用測功扭矩儀二次儀表對本次模型泵的軸扭矩T和軸功率P以及轉(zhuǎn)速n進行直接讀取，與此同時，通過在儀表的串行口與計算機進行直接連接，由此記錄數(shù)據(jù)和顯示。另外針對模型泵軸功率，還可以使用馬達天平測功機進行有關(guān)的測驗，而軸功率計算的公式則為：

(2)

式中：G為負(fù)載條件下砝碼的質(zhì)量，kg；G0為同轉(zhuǎn)速且無水空轉(zhuǎn)的砝碼的質(zhì)量，kg；L為馬達天平臂桿的長度，取L=0.974m。

4)模型裝置的效率：根據(jù)等揚程相似的準(zhǔn)則予以確定模型泵的實驗轉(zhuǎn)速：

(3)

式中：nn為泵原型的轉(zhuǎn)速，r/min；nm為泵模型的轉(zhuǎn)速，r/min；Dn為泵原型的直徑，m；Dm為泵模型的直徑，m。

模型泵的裝置效率根據(jù)下述公式進行計算：

ηsy=[ρgQHsy/(P-P0)]×100%

(4)

式中：ρ為水體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為模型流量，m3/s；Hsy為模型裝置揚程，m；P為模型泵的輸入軸功率，W；P0為空載的功率，W。

測試的全部參考由計算機系統(tǒng)加以記錄和顯示。

5)泵裝置的有效與臨界的汽蝕余量：將壓差變送器低壓端和存在自由水面的開敞有機玻璃容器，將高壓端與進口水箱揚程的測孔連接，并保持水面以及葉輪中心保持在同一高度的狀態(tài)。當(dāng)實際測量出的變送器壓差值為△h/m時，則泵裝置實際的有效汽蝕余量計算為：

NPSHa=pa/(ρg)+△h-ρv/(ρg)

(5)

式中：pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa，pa/(ρg)=10.33m實驗時水溫下的飽和蒸汽壓，Pa，當(dāng)水溫25℃時pv/(ρg)≈0.33m。所以有效汽蝕的余量：

NPSHa≈10+△h

(6)

據(jù)相關(guān)資料表明[5]，NPSHc臨界汽蝕余量根據(jù)泵效率的降低1%的汽蝕余量當(dāng)作臨界值。汽蝕實驗中，保持流量的不變，并對封閉循環(huán)系統(tǒng)予以進行抽真空，進而有效汽蝕余量會跟隨真空度的提高而逐步的降低，當(dāng)效率降低1%有效汽蝕余量作為NPSHC。另外在必要時，可以運用頻閃觀測器對泵葉片的汽蝕狀態(tài)進行直接的觀測，由此確定實際測量的臨界汽蝕余量值。

實驗平臺的計算機系統(tǒng)主要記錄和顯示所有的測定數(shù)據(jù)，并同時在系統(tǒng)上將顯示和記錄實際的揚程和效率以及汽蝕余量[4-5]。

4 實驗的主要結(jié)果、分析

4.1 能量實驗

選擇模型泵葉片在不同的角度下(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)，對其能量的特性開展相應(yīng)的實際測量，不同角度下效率動力的特性分析表，見表1。

表1 不同角度下效率動力的特性分析表

從表1的實際參數(shù)可以明顯看出，葉片角度呈現(xiàn)-4°時為模型泵的最佳，效率高達78.83%。

4.2 原型裝置結(jié)果

通過得用下述公式對泵站的原模型(Dn=3.0m，nn=95r/min)揚程、流量進行相應(yīng)的換算：

(7)

Qn=QmnrDr3=Qm×Dr2=100Qm

(8)

式中：r為原模型的比值。

根據(jù)下述公式對原型裝置的效率加以換算：

(9)

ηn=ηm×ηr

(10)

原型泵裝置的最優(yōu)工況效率為80.9%，與模型泵對比表明效率提高2%[6-7]。

4.3 汽蝕特性實驗分析

汽蝕實驗方法：通過與進口水箱的揚程取壓連通管進行連接，并將汽蝕余量的取壓連通管加以引出，需要注意另外設(shè)計含有自由水面的透明容器。確保水面和葉輪的中心保持在同一高度之中。對于汽蝕余量的實際測定，可以用利用Philips芯片的JC-E110A-EMS4A-92DA電容式差壓變送器對泵葉輪中心水頭壓差△h/m進行測定，變送器的量程在-10m-+10m，將高壓接口與取壓連通管進行連接，并將低壓接口與透明容器進行連接。通過變送器所測量出的水頭絕對壓力值(△h+10)即是NPSHa、NPSHc。而不同角度的葉片的不同工況NPSH臨界汽蝕余量分析表，見表2。

表2 臨界汽蝕余量分析表

4.4 泵裝置的飛逸特性

由下述公表達單位飛逸的轉(zhuǎn)速：

N0=nfDm/Hm1/2

(11)

式中：nf為實際測量實驗的飛逸轉(zhuǎn)速。

通過把實際沒出的單位飛逸轉(zhuǎn)速，單位飛逸轉(zhuǎn)速分析表，見表3。從表中顯示出，葉片角度-4°是單位飛逸轉(zhuǎn)速的最大值，由此說明葉片的角度不斷的提高則會導(dǎo)致單位飛逸轉(zhuǎn)速逐步開始降低。

表3 單位飛逸轉(zhuǎn)速分析表

4.5 結(jié)果分析

通過一系列的研究結(jié)果可以看出，葉片角度-4°為泵裝置的最優(yōu)工況，其最大效率ηm,max=78.8%，對應(yīng)工況點的揚程Hsy=1.70m，流量Q=22.66m3/s。設(shè)計揚程Hsy=1.0m、葉片角為-4°時，流量Q=25.35m3/s，模型裝置的效率為ηm=67.5%，原型裝置的效率為ηn=70.7%，軸功率為P=351kW，進一步說明該泵符合設(shè)計的實際要求。

依據(jù)-4°-+4°不同的葉片角度以及揚程0.56-2.56m多工況的實驗，NPSHC均保持4.0-4.8m范圍內(nèi)，造成NPSHC數(shù)值和不同工況點差值較小的主要因素是水泵的轉(zhuǎn)速較低不高，n×D值285。進一步說明在實際的運行中，泵站不會出汽蝕的情況。

根據(jù)泵站泵裝置的一系列的實驗表明，對于特低揚程泵站而言，運用豎井貫流式水泵的效果最佳。并且由于該泵裝置的主要結(jié)構(gòu)較為簡單，因此在運行中以及后期的維護中較為方便。因此十分適全在平原地區(qū)防洪排澇中。