泗陽二站改造工程軸流泵裝置模型試驗分析

吉慶偉，李進東，林智康，袁 堯，楊 帆

（1.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；3.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

1 問題的提出

立式軸流泵裝置適用于大流量、低揚程場合，具有運行穩(wěn)定可靠、安裝檢修方便、投資節(jié)省和制造技術成熟等優(yōu)點。在我國農業(yè)排灌、城市給排水以及南水北調工程中已得到廣泛運用，我國已建的300 多座大型泵站中，大部分采用該泵型。目前，不少學者已對泵裝置物理模型展開相關試驗研究工作，主要研究內容集中于泵裝置能量性能試驗的比選分析[1-4]，泵裝置內流脈動及空化性能的試驗分析[5-8]，泵裝置的葉輪選型及馬鞍區(qū)的模型試驗分析[9-10]，以具體泵站工程為背景開展的模型泵裝置效率驗證分析[11-13]。陸偉剛等[1]通過模型試驗來檢驗前置豎井貫流泵裝置的外特性并提出改進措施。楊帆等[6-7]采用在進水流道出口設置脈動傳感器的方法，研究軸流泵裝置進水流道出流壓力脈動信號的能量及頻譜特征并進行分析；采用在出水流道布置壓力傳感器和水聽器的試驗方法，研究分析軸流泵裝置在不同轉速、不同流量時出水流道內流脈動及流動噪聲的時頻特性，明晰立式軸流泵裝置出水流道內流脈動及流動噪聲的變化規(guī)律。謝傳流[10]等通過軸流泵裝置物理模型試驗，對比分析3 副軸流泵葉輪的能量性能，更加合理地優(yōu)選出適合泵站運行的水泵葉輪。孫丹丹[11]等以徐州市睢寧縣凌城泵站改造為背景，對凌城泵站立式軸流泵裝置進行物理模型試驗，檢驗該泵裝置的水力性能。

為保證泗陽二站加固改造成功，水泵選型合理、水力性能優(yōu)越，確保泗陽二站改造工程建成后在運行范圍內能夠安全、穩(wěn)定、高效運行，本文對泗陽二站改造工程立式軸流泵裝置進行模型試驗研究，并對試驗結果進行討論與對比分析，對其他采用立式軸流泵裝置的工程有一定參考作用。

2 工程概況

泗陽二站位于江蘇省泗陽縣，屬于江蘇省淮水北調第一梯級和江水北調第四梯級。該泵站主要作用是抽引由二河閘下泄的淮水或由淮陰站轉送的江水，以滿足泗陽以北徐淮地區(qū)工農業(yè)生產、生活及中運河航運用水的需要，同時該泵站還可利用上游來水發(fā)電，工程安全極其重要。泗陽二站自建成以后，經20 多年運行，加上水情和工情變化，原泵站的水泵揚程偏高，導致現有泵裝置常偏離高效區(qū)運行。為解決該泵站偏離高效區(qū)的技術難題，在CFD 數值模擬對比分析3 副水力模型的水力性能基礎上[14]，本文對優(yōu)選的水力模型TJ04-ZL-02 進行泵裝置物理模型試驗。

泗陽二站為堤身式泵房結構，泵站設計流量66.00 m3/s，單泵設計流量33.00 m3/s。在計及攔污柵和河道損失0.30 m 時，泵站設計最大揚程6.80 m，設計揚程6.30 m，設計最小揚程2.80 m，平均揚程5.55 m。泵站采用肘形進水流道和虹吸式出水流道，安裝2.8ZLQ-7.0 液壓全調節(jié)軸流泵，配套TL2800-40/3250 立式同步電動機，總裝機容量5 600 kW，葉輪直徑2 950 mm，轉速136 r/min。泗陽二站泵房剖面見圖1。

圖1 泗陽二站泵房剖面圖

3 模型試驗裝置與測試方法

3.1 模型試驗裝置

泗陽二站加固改造的泵裝置物理模型采用TJ04-ZL-02 水力模型，試驗轉速1 341 r/min。葉輪名義直徑300 mm，葉片數為4，葉頂間隙控制在0.2 mm 以內，導葉體的葉片數為7。葉輪采用銅質材料加工成型，導葉體采用鋼質材料焊接成型。肘形進水流道和虹吸式出水流道均采用5 mm厚的鋼板焊接加工制作成型，加工精度及尺寸允許偏差均滿足SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》要求，流道內表面磨光噴聚氨酯漆，原型和模型流道滿足阻力相似。泵裝置物理模型見圖2。

圖2 立式軸流泵裝置物理模型圖

3.2 測試內容與方法

泗陽二站泵裝置物理模型試驗按照SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》的要求進行，試驗內容主要有：①6 個葉片安放角（+6°、+4°、+2°、0°、-2°和-4°） 的 立 式 軸 流泵裝置能量性能試驗，每個葉片安放角的能量性能數據采集點不少于15 個。②5 個葉片安放角（+4°、+2°、0°、-2°和-4°）的立式軸流泵裝置空化性能試驗。臨界空化余量的確定按照流量保持常數，改變有效汽蝕余量NPSHa值至效率下降1%，每個葉片安放角測試5 個流量工況點。③測試3 個葉片安放角（+6°、+4°和-4°）的模型泵裝置飛逸特性參數。通過切換試驗臺測試系統(tǒng)，調整輔助泵使水泵運行系統(tǒng)反向運轉，扭矩儀不受力，測試不同揚程反轉水頭下的模型泵轉速。④測試6 個葉片安放角（+6°、+4°、+2°、0°、-2°和-4°）的模型泵裝置葉輪進口和導葉體出口的壓力脈動。葉輪進口的脈動監(jiān)測點布置于距離葉輪中心線0.4D處，導葉體口的脈動監(jiān)測點布置于距離葉輪中心線1.1D處（D為葉輪名義直徑），脈動測試采用CYG1505GLLF 高頻動態(tài)壓力脈動傳感器測量，量程200 kPa，配置SQCJ-USB-16 采集儀。

3.3 模型試驗系統(tǒng)

泗陽二站改造泵裝置物理模型試驗在揚州大學江蘇省水利動力工程重點實驗室的高精度水力機械試驗臺上進行。該試驗臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)（見圖3），試驗臺總長度60.0 m，管道直徑0.5 m，在安裝電磁流量計前后一定范圍內的直管段直徑為0.4 m，測試系統(tǒng)水體積為50 m3。揚程測量采用EJA110A 型差壓變送器，揚程值為泵裝置進出口兩測壓斷面的總壓差；流量測量采用E-mag 型DN400 電磁流量計；轉速和轉矩測量采用JC1A200 型轉速轉矩傳感器，在機組無水運轉時測得，泵裝置模型機械損失轉矩主要由軸承與軸封產生摩擦損失等原因造成；空化余量測量采用EJA310A 絕對壓力變送器，空化試驗保持流量不變，通過封閉循環(huán)系統(tǒng)內抽真空逐步減小系統(tǒng)壓力的方法，使泵內發(fā)生空化，效率下降1%確定為必需汽蝕余量NPSHre。

圖3 高精度水力機械試驗臺三維示意圖

3.4 測試綜合不確定度分析

模型泵裝置能量性能效率測試的系統(tǒng)不確定度為各單項系統(tǒng)不確定度的方和根，即

式中：（Eη）s為系統(tǒng)不確定度；EQ為流量測量的系統(tǒng)不確定度，±0.18%；EH為揚程測量的系統(tǒng)不確定度，±0.20%；EM為轉矩測量的系統(tǒng)不確定度，±0.20%；En為轉速測量的系統(tǒng)不確定度，±0.05%。

采用在穩(wěn)定的設計揚程工況時，根據能量性能參數效率測量的離散程度進行性能試驗的隨機不確定度（Eη）r估計，其計算公式如下：

式中：為效率平均值，%；t0.95（N-1）為對應于置信率0.95 和自由度（N-1）的t分布值，t=2.26；S?為試驗標準差，%；N為測量次數，N=10。

根據實測數據，計算結果為：

效率測試綜合不確定度為系統(tǒng)不確定度和隨機不確定度的方和根，即

模型立式軸流泵裝置效率測試的綜合不確定度為0.35%，滿足SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》對系統(tǒng)測試綜合不確定度的要求。

4 結果與分析

4.1 能量性能試驗

模型立式軸流泵裝置在6 個葉片安放角的最優(yōu)工況點性能參數見表1，模型立式軸流泵裝置綜合特性曲線見圖4。葉片安放角為-2°時，立式軸流泵裝置最高效率為77.79%，此時裝置揚程5.82 m，流量0.31 m3/s，采用水泵相似律和等效率換算方法，對應的原型泵裝置揚程5.82 m，流量30.36 m3/s，效率為77.79%。葉片安放角為+2°，設計揚程為6.30 m 時，流量為0.33 m3/s，滿足設計流量要求，此時泵裝置效率為75.54%；最大揚程6.80 m 時，原型泵站流量為31.26 m3/s，效率為73.94%；平均揚程5.55 m 時，原型泵裝置流量為35.15 m3/s，效率為76.14%。

表1 立式軸流泵裝置最優(yōu)工況點性能參數表

圖4 立式軸流泵裝置綜合特性曲線圖

4.2 汽蝕性能試驗

不同工況泵裝置的必需汽蝕余量曲線見圖5。相同流量工況時，隨著葉片安放角度增大，必需汽蝕余量逐漸增大；在同一葉片安放角，隨著揚程增大，必需汽蝕余量呈增大趨勢。葉片安放角為+2°時，在最大揚程6.80 m 工況下，模型泵裝置必需汽蝕余量為8.69 m；設計揚程6.30 m 時，模型泵裝置必需汽蝕余量為8.45 m；平均揚程5.55 m 時，原型泵裝置的必需汽蝕余量為8.07 m。

圖5 不同工況泵裝置必需汽蝕余量曲線圖

4.3 飛逸特性試驗

葉片安放角分別為-4°、+4°、+6°時，泵的飛逸轉速與反作用水頭關系曲線見圖6，單位飛逸轉速見表2。葉片安放角相同時，飛逸轉速隨反向水頭的增大而增大；在相同反作用水頭時，隨著葉片安放角度減小，飛逸轉速逐漸增大。在最大揚程6.80 m 工況下，葉片安放角為-4°時，原型泵最大飛逸轉速為電機額定轉速的1.65 倍；葉片安放角為+4°時，原型泵最大飛逸轉速為電機額定轉速的1.40 倍；葉片安放角為+6°時，原型泵最大飛逸轉速為電機額定轉速的1.35 倍。水泵和電機制造商應按1.65 倍校核機組的安全性能。

表2 各葉片安放角時單位飛逸轉速表

圖6 模型泵飛逸轉速特性曲線圖

4.4 脈動特性試驗

不同揚程工況下，模型立式軸流泵裝置葉輪進口監(jiān)測點P1 和導葉體出口監(jiān)測點P2 在6 個葉片安放角的壓力脈動峰峰值見圖7。葉片安放角相同時，導葉體出口監(jiān)測點P2 的壓力脈動峰峰值大于葉輪進口監(jiān)測點P1 的壓力脈動峰峰值，且隨著揚程增加，各監(jiān)測點的壓力脈動峰峰值基本呈增加趨勢。將脈動峰峰值與揚程之比，定義為脈動相對幅值比。葉片安放角不同時，監(jiān)測點P1 的脈動相對幅值比均值為0.15，最大值為0.21；監(jiān)測點P2 的脈動相對幅值比均值為0.20，最大值為0.28。

圖7 不同揚程時各監(jiān)測點的壓力脈動峰峰值圖

5 結 論

（1）泗陽二站改造工程立式軸流泵裝置最高效率達77.79%，此時模型泵裝置流量0.31 m3/s，揚程5.82 m，葉片安放角度為-2°，對應的原型泵裝置流量30.36 m3/s，揚程5.82 m，效率77.79%。葉片安放角度為+2°時，對應設計揚程6.30 m，原型泵裝置流量33.00 m3/s，滿足設計流量要求。

（2）在同一葉片安放角，隨著揚程增大，泵的必需汽蝕余量呈增大趨勢。葉片安放角為+2°時，在最大揚程6.80 m 工況下，泵必需汽蝕余量為8.69 m；在設計揚程6.30 m 時，泵必需汽蝕余量8.45 m；在平均揚程5.55 m 時，泵必需汽蝕余量8.07 m。

（3）原型泵在最大揚程6.80 m、葉片角度-4°時，最大飛逸轉速為電機額定轉速的1.65 倍。建議水泵和電機制造商按此值校核機組的安全性能。葉片安放角相同時，導葉體出口監(jiān)測點P2 的壓力脈動峰峰值大于葉輪進口監(jiān)測點P1 的壓力脈動峰峰值，且隨著揚程增加，各監(jiān)測點的壓力脈動峰峰值基本呈增加趨勢。