軸流泵裝置性能曲線馬鞍形區(qū)的特點(diǎn)及應(yīng)用

吉冬濤，陸偉剛*，陸林廣，徐磊，劉軍，施偉

(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. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 210019)

軸流泵裝置在中國平原地區(qū)灌溉、排澇、市政給排水、水環(huán)境改善以及南水北調(diào)等跨流域調(diào)水工程中應(yīng)用廣泛[1-2].目前對(duì)立式軸流泵裝置、豎井式貫流泵裝置和斜式軸伸泵裝置已有較多研究[3-5]，但關(guān)于軸流泵及軸流泵裝置揚(yáng)程-流量曲線馬鞍形區(qū)的研究還較少.楊華等[6]通過模型試驗(yàn)測(cè)量得到泵段性能曲線，表明泵段性能曲線存在“雙馬鞍形”，并利用PIV技術(shù)測(cè)量了軸流泵葉輪室進(jìn)口的軸面流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在0.55倍設(shè)計(jì)流量時(shí)葉輪進(jìn)口處開始出現(xiàn)回流，水流由葉輪外緣流出.鄭源等[7]基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和SIMPLEC算法對(duì)軸流泵裝置水力特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在50%～65%設(shè)計(jì)流量處裝置揚(yáng)程曲線存在馬鞍形區(qū)，而軸流泵在該區(qū)域不能穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)生劇烈的噪聲.陳偉等[8]研究表明，軸流泵葉輪室進(jìn)口在小流量工況下發(fā)生預(yù)旋現(xiàn)象是泵內(nèi)發(fā)生“二次回流”的內(nèi)特性表現(xiàn)，泵揚(yáng)程曲線出現(xiàn)馬鞍形區(qū)為其外特性表現(xiàn).關(guān)醒凡[9]通過理論分析提出，大型軸流泵運(yùn)行應(yīng)避開馬鞍形區(qū)，且馬鞍形區(qū)的性能曲線測(cè)量具有誤差，而泵站建設(shè)追求的是泵裝置的高效率，因此軸流泵選型應(yīng)匹配進(jìn)出水流道進(jìn)行裝置模型試驗(yàn)，相對(duì)而言軸流泵裝置的性能曲線更加可信.

為了使大流量、低揚(yáng)程泵站的水泵選型在確保安全的前提下更為合理，文中根據(jù)已有的泵段模型試驗(yàn)和泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩者揚(yáng)程-流量性能曲線中馬鞍形區(qū)之間的聯(lián)系與區(qū)別進(jìn)行對(duì)比研究，為泵站的水泵選型提供一定的理論參考.

1 軸流泵測(cè)試段揚(yáng)程-流量性能曲線特點(diǎn)

1.1 南水北調(diào)水泵模型同臺(tái)測(cè)試

為保證南水北調(diào)東線工程泵站的設(shè)計(jì)質(zhì)量，2004年水利部調(diào)水局組織開展了水泵模型同臺(tái)測(cè)試工作，以統(tǒng)一鑒定標(biāo)準(zhǔn)及鑒定精度，使各模型的基本參數(shù)具有較好的可比性，從而為大流量、低揚(yáng)程泵站的水泵選型提供科學(xué)依據(jù)[10].

同臺(tái)測(cè)試任務(wù)由中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“中水北方”)承擔(dān).中水北方的水力模型通用試驗(yàn)臺(tái)通過由水利部組織的技術(shù)鑒定，其效率測(cè)試隨機(jī)不確定度優(yōu)于±0.1%，綜合不確定度優(yōu)于±0.3%[11].試驗(yàn)臺(tái)由水力循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力及控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)測(cè)量分析系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成.

1.2 軸流泵泵段模型測(cè)試裝置

軸流泵泵段模型試驗(yàn)測(cè)試段如圖1所示，主要由進(jìn)水直管、進(jìn)水收縮管、葉輪、導(dǎo)葉體、出水彎管及出水直管組成.根據(jù)《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》(SL 140—2006)規(guī)定：在水泵模型水力性能的同臺(tái)測(cè)試中，將水泵模型揚(yáng)程的進(jìn)口測(cè)壓斷面和出口測(cè)壓斷面分別設(shè)于2倍管徑長(zhǎng)度的進(jìn)水和出水直管處，且不對(duì)測(cè)量斷面和水泵模型進(jìn)、出口法蘭之間的水頭損失進(jìn)行修正.

圖1 泵段模型試驗(yàn)測(cè)試段的組成

泵段模型試驗(yàn)測(cè)試段在中水北方試驗(yàn)臺(tái)的布置如圖2所示.軸流泵模型的葉輪直徑均為300 mm，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速均為1 450 r/min.

圖2 泵段模型試驗(yàn)測(cè)試段在試驗(yàn)臺(tái)的布置

1.3 軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線特點(diǎn)

對(duì)南水北調(diào)工程同臺(tái)測(cè)試的25種軸流泵水泵模型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以看到軸流泵模型揚(yáng)程-流量性能曲線普遍表現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1) 軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線分為穩(wěn)定工作區(qū)與非穩(wěn)定工作區(qū).當(dāng)流量小于0.6Qd(Qd為軸流泵最優(yōu)工況點(diǎn)流量)時(shí)，軸流泵由穩(wěn)定工作區(qū)開始進(jìn)入非穩(wěn)定工作區(qū)(也稱為“馬鞍形區(qū)”).

2) 在穩(wěn)定工作區(qū)，軸流泵揚(yáng)程隨著流量的減小單調(diào)上升，并且揚(yáng)程-流量性能曲線的斜率比較平緩，各個(gè)葉片角度揚(yáng)程-流量性能曲線的變化趨勢(shì)基本相同.

3) 在非穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)，軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線具有2個(gè)馬鞍形，為便于分析，將2個(gè)馬鞍形分別稱之為第一馬鞍形和第二馬鞍形(見圖3).

圖3 4種常用低揚(yáng)程水泵模型揚(yáng)程-流量性能曲線

限于篇幅，圖3僅給出常用的4種低揚(yáng)程水泵模型的揚(yáng)程-流量性能曲線，其馬鞍形區(qū)的鞍底揚(yáng)程如表1所示，表中α為葉片安裝角度.可以看出，軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線的第二鞍底揚(yáng)程均小于第一鞍底揚(yáng)程，其正常運(yùn)行范圍內(nèi)各葉片角度的第一鞍底揚(yáng)程最小值高于第二鞍底揚(yáng)程最小值，其差值為1.4～2.2 m.一般而言，水泵的選型需控制泵站運(yùn)行的最高揚(yáng)程低于水泵的最低鞍底揚(yáng)程，從而使水泵在所有工況下可以避開在馬鞍區(qū)工作，以確保水泵與泵站的運(yùn)行穩(wěn)定.

表1 4種常用低揚(yáng)程軸流泵馬鞍形區(qū)鞍底揚(yáng)程

2 軸流泵裝置揚(yáng)程-流量性能曲線特點(diǎn)

2.1 軸流泵裝置性能模型試驗(yàn)裝置

根據(jù)《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》(SL 140—2006)的規(guī)定，在泵裝置模型水力性能試驗(yàn)中，泵裝置模型揚(yáng)程的進(jìn)口測(cè)壓斷面1-1和出口測(cè)壓斷面2-2分別取在進(jìn)口水箱和出口水箱處，如圖4所示.

圖4 泵裝置模型的揚(yáng)程測(cè)壓斷面

為了保證軸流泵測(cè)試段水力性能與泵裝置水力性能的可比性，文中所采用的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)均來自中水北方水力模型通用試驗(yàn)臺(tái)完成的模型試驗(yàn).軸流泵模型試驗(yàn)和泵裝置模型試驗(yàn)所采用的測(cè)試方法、設(shè)備、精度等均相同.

2.2 軸流泵裝置揚(yáng)程-流量性能曲線特點(diǎn)

圖5為4種常用低揚(yáng)程水泵模型的泵裝置揚(yáng)程-流量性能曲線，其中圖5a為采用TJ04-ZL-06水泵模型的鄧樓泵站立式泵裝置模型，圖5b為采用TJ04-ZL-07水泵模型的邳州泵站豎井貫流泵裝置模型, 圖5c為采用TJ04-ZL-19水泵模型的長(zhǎng)溝泵站立式泵裝置模型, 圖5d為采用TJ04-ZL-20水泵模型的長(zhǎng)山河泵站斜式泵裝置模型.

圖5 4種常用低揚(yáng)程水泵模型的泵裝置揚(yáng)程-流量性能曲線

由圖5可以看出：軸流泵裝置揚(yáng)程-流量性能曲線的馬鞍形區(qū)只有1個(gè)鞍底；鄧樓站泵裝置鞍底揚(yáng)程由葉片安裝角度-6°～+2°依次為7.00，7.50，7.50，7.40，8.00 m；邳州站泵裝置鞍底揚(yáng)程由葉片安裝角度-4°～+4°依次為6.00，6.10，6.25，6.40，6.70 m；長(zhǎng)溝站泵裝置鞍底揚(yáng)程由葉片安裝角度-6°～+2°依次為10.00，9.20，9.60，8.80，8.60 m；長(zhǎng)山河站泵裝置鞍底揚(yáng)程由葉片安裝角度-8°～+4°依次為9.00，9.50，10.00，10.05，10.00，10.00，9.00 m.

3 泵裝置與相應(yīng)軸流泵揚(yáng)程曲線馬鞍形區(qū)的對(duì)比分析

對(duì)比圖3與圖5可以看出：

1) 軸流泵裝置揚(yáng)程-流量性能曲線僅具有1個(gè)馬鞍形.

2) 軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線有2個(gè)馬鞍形，第一馬鞍形的鞍底揚(yáng)程與軸流泵裝置揚(yáng)程-流量性能曲線的鞍底揚(yáng)程接近，第二馬鞍形的鞍底揚(yáng)程明顯低于第一馬鞍形的鞍底揚(yáng)程.

為了對(duì)泵裝置與相應(yīng)軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線馬鞍形區(qū)產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行分析，選取2種泵裝置模型進(jìn)行試驗(yàn)，分別為采用TJ04-ZL-06水泵的豎井式貫流泵裝置模型和采用TJ04-ZL-07水泵的立式泵裝置模型.2種試驗(yàn)裝置均為立式循環(huán)系統(tǒng)，包括進(jìn)水箱、泵裝置模型、出水箱、電磁流量計(jì)、工況調(diào)節(jié)閘閥及管道等.進(jìn)水流道、出水流道均采用透明有機(jī)玻璃制成，流道內(nèi)壁粘貼紅線，以觀察泵裝置穩(wěn)定工作區(qū)與非穩(wěn)定工作區(qū)的流態(tài)[12].試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)透明流道實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.

軸流泵在正常工況下運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水流道內(nèi)壁粘貼的紅線平順穩(wěn)定，表明軸流泵葉輪室進(jìn)口前的水流均勻流暢進(jìn)入泵內(nèi)，無回流等不良流態(tài)，如圖6a和圖7a所示.通過流量控制閥逐漸減小流量，使軸流泵逐步進(jìn)入馬鞍形區(qū).當(dāng)流量減少至0.60Qd時(shí)，進(jìn)水流道內(nèi)的紅線開始擺動(dòng)，水流逐漸紊亂；隨著流量進(jìn)一步減小，進(jìn)水流道兩側(cè)邊壁的紅線流動(dòng)方向指向進(jìn)水流道進(jìn)口，流道中部的紅線流動(dòng)方向仍然指向葉輪室進(jìn)口，同時(shí)紅線的劇烈擺動(dòng)，葉輪室及進(jìn)水流道內(nèi)出現(xiàn)了明顯的二次回流現(xiàn)象，如圖6b和圖7b所示；當(dāng)流量減小至0.35Qd時(shí)，二次回流范圍向進(jìn)水流道進(jìn)口方向進(jìn)一步擴(kuò)大；當(dāng)流量減小至0.10Qd時(shí)，二次回流范圍已接近于進(jìn)水流道進(jìn)口.

圖6 豎井式貫流泵裝置進(jìn)水流態(tài)

圖7 立式軸流泵裝置進(jìn)水流態(tài)

在進(jìn)行軸流泵性能模型試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)口測(cè)壓斷面距葉輪室進(jìn)口較近，當(dāng)流量小于0.35Qd時(shí)，二次回流的影響范圍到達(dá)進(jìn)口測(cè)壓斷面，使該測(cè)壓斷面管壁附近的流速變小，壓力變大，從而導(dǎo)致水泵測(cè)試段揚(yáng)程的測(cè)量值變小，并在流量0.10Qd處使揚(yáng)程-流量性能曲線出現(xiàn)第二馬鞍形.由此可以認(rèn)為，揚(yáng)程-流量性能曲線中表現(xiàn)出的第二馬鞍區(qū)域的形狀是由于水泵模型性能測(cè)試時(shí)測(cè)壓斷面受二次回流影響而產(chǎn)生的測(cè)量假象.

在進(jìn)行軸流泵裝置性能模型試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)口測(cè)壓斷面設(shè)置在進(jìn)水流道前的進(jìn)水箱上，距葉輪室進(jìn)口較遠(yuǎn).當(dāng)泵裝置工況進(jìn)入馬鞍形區(qū)時(shí)，葉輪室進(jìn)口前的二次回流影響范圍未達(dá)到位于進(jìn)口水箱的測(cè)壓斷面處，所測(cè)得的進(jìn)口壓力值正常，泵裝置的揚(yáng)程-流量性能曲線馬鞍形區(qū)未出現(xiàn)2個(gè)馬鞍形.

4 泵裝置與相應(yīng)軸流泵馬鞍形區(qū)差異對(duì)水泵選型的影響

為達(dá)到最高揚(yáng)程工況時(shí)避開馬鞍形區(qū)、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，一般在水泵選型中使最高揚(yáng)程低于水泵揚(yáng)程-流量性能曲線馬鞍形區(qū)的最低鞍底揚(yáng)程0.5 m.在依據(jù)軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線進(jìn)行選型時(shí)，第二鞍底揚(yáng)程低于第一鞍底揚(yáng)程，根據(jù)選型原則[9]，顯然應(yīng)以第二鞍底揚(yáng)程為考慮最高揚(yáng)程工況運(yùn)行條件時(shí)的控制揚(yáng)程.

同時(shí)，由于軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線馬鞍形區(qū)的第二馬鞍形是在水泵模型性能測(cè)試時(shí)受二次回流影響而產(chǎn)生的測(cè)量假象，在采用相同軸流泵模型的泵裝置揚(yáng)程-流量性能曲線的馬鞍形區(qū)中并未出現(xiàn)2個(gè)馬鞍形.若以第二鞍底揚(yáng)程為控制揚(yáng)程，則須采取提高水泵nD值的方法來提高鞍底揚(yáng)程，從而導(dǎo)致不合理地提高水泵揚(yáng)程，特別不利于較低揚(yáng)程工況(包括設(shè)計(jì)工況、平均揚(yáng)程工況和最低揚(yáng)程工況)的能量性能和汽蝕性能[13].

較為可靠的辦法是根據(jù)采用相同軸流泵的相同泵裝置的揚(yáng)程-流量性能曲線考慮最低控制揚(yáng)程，以滿足泵裝置最高運(yùn)行揚(yáng)程低于泵裝置鞍底揚(yáng)程的基本要求.目前低揚(yáng)程泵裝置的模型試驗(yàn)資料比較豐富，查找可供參考的相關(guān)泵裝置模型試驗(yàn)資料并不困難.為說明泵揚(yáng)程-流量曲線馬鞍形區(qū)2個(gè)馬鞍形對(duì)水泵選型的影響，文中給出以下示例.

某低揚(yáng)程泵站A的單泵設(shè)計(jì)流量為33.5 m3/s，最高凈揚(yáng)程、設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程和最低揚(yáng)程分別為4.90，3.66和1.56 m.采用立式全調(diào)節(jié)軸流泵裝置，根據(jù)該泵站的流量和特征揚(yáng)程，擬選用南水北調(diào)水泵模型同臺(tái)測(cè)試的TJ04-ZL-06模型.

泵站A水泵選型方案一：以水泵揚(yáng)程-流量曲線馬鞍形區(qū)第二鞍底揚(yáng)程為水泵選型最高揚(yáng)程的控制揚(yáng)程，水泵選型結(jié)果為：水泵葉輪直徑2 850 mm，轉(zhuǎn)速為150 r/min，nD值為427.5，水泵選型曲線如圖8a所示.可以看出，第二鞍底揚(yáng)程為5.80 m，最高揚(yáng)程工況低于鞍底揚(yáng)程0.90 m，滿足低于鞍底揚(yáng)程0.50 m的要求.

泵站A水泵選型方案二：以水泵揚(yáng)程-流量曲線馬鞍形區(qū)第一鞍底揚(yáng)程為水泵選型的最高揚(yáng)程的控制揚(yáng)程，水泵選型結(jié)果為：水泵葉輪直徑為3 150 mm，轉(zhuǎn)速為120 r/min，nD值為378，水泵選型曲線如圖8b所示.可以看出，泵站設(shè)計(jì)工況位于水泵運(yùn)行高效區(qū)，第一鞍底揚(yáng)程為5.75 m，最高揚(yáng)程工況低于第一鞍底揚(yáng)程0.85 m，滿足低于鞍底揚(yáng)程0.50 m的要求.

圖8 泵站A的2種水泵選型方案

由圖8可以看出：方案一將第二鞍底揚(yáng)程作為控制揚(yáng)程，該方案雖可滿足最高揚(yáng)程低于鞍底揚(yáng)程0.50 m的要求，但過于保守；方案二將第一鞍底揚(yáng)程確定為控制揚(yáng)程，符合泵裝置的實(shí)際性能，可以滿足最高揚(yáng)程低于鞍底揚(yáng)程0.50 m的要求，同時(shí)又可保證設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況位于性能曲線的高效區(qū)，因此該方案更具合理性.

由此可見，理解軸流泵裝置與相應(yīng)軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線馬鞍形區(qū)之間的差異對(duì)低揚(yáng)程泵站的水泵選型具有重要意義.在低揚(yáng)程泵站水泵選型考慮泵站最高運(yùn)行揚(yáng)程的控制揚(yáng)程時(shí)，應(yīng)將軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線馬鞍形區(qū)的第一鞍底揚(yáng)程作為控制揚(yáng)程，如有相近泵裝置模型試驗(yàn)的揚(yáng)程-流量性能曲線，則可參考相關(guān)泵裝置模型試驗(yàn)資料提供的鞍底揚(yáng)程.

5 結(jié) 論

1) 軸流泵裝置揚(yáng)程-流量性能曲線只有1個(gè)馬鞍形，而相應(yīng)軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線具有2個(gè)馬鞍形，第一鞍底揚(yáng)程與泵裝置的鞍底揚(yáng)程接近，而第二鞍底揚(yáng)程則明顯低于泵裝置的鞍底揚(yáng)程.

2) 透明泵裝置模型試驗(yàn)的流態(tài)觀察結(jié)果表明，軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線馬鞍形區(qū)出現(xiàn)的第二馬鞍形是在水泵模型性能測(cè)試時(shí)受二次回流影響而產(chǎn)生的測(cè)量假象.

3) 在低揚(yáng)程泵站水泵選型考慮泵站最高運(yùn)行揚(yáng)程的控制揚(yáng)程時(shí)，應(yīng)將軸流泵揚(yáng)程-流量性能曲線馬鞍形區(qū)的第一鞍底揚(yáng)程作為控制揚(yáng)程，如有相近泵裝置模型試驗(yàn)的揚(yáng)程-流量性能曲線，則可參考相關(guān)泵裝置模型試驗(yàn)資料提供的鞍底揚(yáng)程.