斜軸變槳軸流泵空化特性試驗(yàn)

汪寶羅，張弋揚(yáng)，蘇勝利，何成連，潘利國(guó)，謝麗華

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222； 3.嘉興市杭嘉湖南排工程管理局，浙江 嘉興 314001)

空化和空蝕現(xiàn)象會(huì)影響泵的水力性能，造成振動(dòng)、噪聲甚至是結(jié)構(gòu)破壞[1]。在試驗(yàn)條件下監(jiān)測(cè)并分析水泵的空化狀態(tài)是研究空化和空蝕現(xiàn)象的重要手段[2]。斜軸軸流泵是我國(guó)在大流量泵站引入的一種新型泵裝置[3]，已經(jīng)應(yīng)用于上海太浦河泵站[4]、廣東文頭嶺泵站[5]等。由于在應(yīng)用過(guò)程中該泵容易出現(xiàn)左右流道偏流等問(wèn)題[6]，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者主要針對(duì)進(jìn)出口流道流態(tài)[7]及斜軸軸流泵能量特性[8]展開(kāi)研究。徐磊等[9-10]基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值計(jì)算方法，探究了不同泵軸傾角與流道隔墩長(zhǎng)度對(duì)進(jìn)出口流道流態(tài)的影響。劉潤(rùn)根等[11]、謝麗華等[3]基于模型試驗(yàn)方法，分別探究了30°斜軸軸流泵的能量特性和15°斜軸軸流泵的空化特性、飛逸特性、壓力脈動(dòng)特性與偏流特性。國(guó)內(nèi)圍繞斜軸軸流泵裝置空化余量與槳葉角度、揚(yáng)程之間的規(guī)律性研究較少，對(duì)斜軸軸流泵變槳調(diào)節(jié)原則的研究也較少。

目前，水泵空化監(jiān)測(cè)與診斷的主要方法有流量-揚(yáng)程法(能量法)、噪聲法、振動(dòng)法[12]、壓力脈動(dòng)法、電測(cè)法、圖像法[13]。其中，基于空化余量評(píng)估泵裝置空蝕性能的能量法是應(yīng)用最多、最為可靠的方法。盡管已經(jīng)有不少學(xué)者采用CFD數(shù)值計(jì)算方法研究斜軸軸流泵的能量特性[8]與空化特性[14]并取得了不錯(cuò)的效果，但是不同計(jì)算模型、求解方法與邊界條件下數(shù)值計(jì)算結(jié)果的差異性致使該方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的可靠性仍顯不足。對(duì)此，本文基于軸流泵試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展斜軸軸流泵空化特性試驗(yàn)，獲取不同泵軸傾角、不同葉片角度條件下的空化余量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并總結(jié)一般性規(guī)律，以期為斜軸軸流泵變槳調(diào)節(jié)原則與泵裝置選型設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型泵參數(shù)與試驗(yàn)方法

1.1 斜軸軸流泵站簡(jiǎn)介

本文以浙江省長(zhǎng)山河、鹽官、八堡3座泵站的斜軸軸流泵裝置模型為研究對(duì)象，這3座泵站單機(jī)流量均為50 m3/s，模型泵的水力模型型號(hào)均為TJ04-ZL-20，但各泵站的水泵流道型線局部有所區(qū)別。此外，3座泵站的泵軸傾角也有所不同，分別為20°、15°和20°。3座泵站的斜軸軸流泵裝置具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 斜軸軸流泵裝置基本參數(shù)

以八堡泵站為例，其斜軸軸流泵裝置進(jìn)、出水流道單線圖如圖1所示，長(zhǎng)山河、鹽官泵站的斜軸軸流泵裝置與八堡泵站相近。

圖1 八堡泵站斜軸軸流泵裝置進(jìn)、出水流道

1.2 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

為了保障對(duì)不同泵站斜軸軸流泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的可靠性與說(shuō)服力，這3座泵站的試驗(yàn)均在中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司軸流泵試驗(yàn)平臺(tái)上完成，該試驗(yàn)平臺(tái)效率值測(cè)試的綜合不確定度不超過(guò)±0.3%，其試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。為便于觀察空蝕的發(fā)展過(guò)程，斜軸軸流泵裝置模型的葉輪段流道處開(kāi)設(shè)有矩形玻璃的空泡觀測(cè)窗口，通過(guò)高速攝影設(shè)備獲取空化發(fā)生時(shí)葉輪段的流態(tài)進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)分析。

1—出水側(cè)壓力罐；2—裝置模型；3—進(jìn)水側(cè)壓力罐；4—電磁流量計(jì)；5—蝶閥；6—加壓泵；7—文丘里流量計(jì)；8—真空泵；9—壓縮機(jī)；10—出水側(cè)排氣閥；11—進(jìn)水側(cè)排氣閥圖2 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)示意圖

盡管在能量法中多以揚(yáng)程下降3%作為空化余量的判定指標(biāo)，但此時(shí)空化現(xiàn)象過(guò)于嚴(yán)重，對(duì)實(shí)際工程的指導(dǎo)意義有限，本文推薦采用水泵效率下降1%時(shí)的空化余量NPSHC作為斜軸軸流泵臨界空化余量的判定標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到葉片角度對(duì)軸流泵空化性能的影響較為明顯[15]，本文重點(diǎn)探究不同葉片角度下的模型泵空化余量NPSHC的變化規(guī)律，這對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)鑒于目前尚無(wú)針對(duì)泵軸傾角對(duì)NPSHC影響的研究，本文擬通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同泵軸傾角對(duì)NPSHC的影響程度。

對(duì)長(zhǎng)山河、鹽官、八堡3座泵站的斜軸軸流泵裝置模型開(kāi)展從零揚(yáng)程至零流量的全范圍裝置模型試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程涵蓋了工程所需要的葉片角度，對(duì)這3個(gè)裝置模型的能量特性、空蝕特性進(jìn)行了全面研究，獲得了較為豐富的數(shù)據(jù)。表2為長(zhǎng)山河、鹽官、八堡泵站斜軸軸流泵裝置模型試驗(yàn)過(guò)程中的揚(yáng)程、流量、葉片角度的范圍。

表2 斜軸軸流泵裝置模型試驗(yàn)參數(shù)范圍

圖3為長(zhǎng)山河泵站的斜軸軸流泵裝置模型流道和TJ04-ZL-20模型轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉。八堡泵站、鹽官泵站的斜軸軸流泵裝置模型與長(zhǎng)山河泵站相近。

圖3 長(zhǎng)山河泵站斜軸軸流泵裝置模型流道及TJ04-ZL-20模型轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉

2 裝置特性及分析

通過(guò)模型試驗(yàn)，得到了上述3座泵站的斜軸軸流泵裝置模型綜合特性曲線。以長(zhǎng)山河泵站為例，其斜軸軸流泵裝置特性曲線(圖4(a))與南水北調(diào)20號(hào)轉(zhuǎn)輪的TJ04-ZL-20泵段綜合特性曲線(圖4(b))相比，最優(yōu)工況點(diǎn)、等效率區(qū)、等空化余量線等關(guān)鍵指標(biāo)均發(fā)生了一定程度的改變。經(jīng)過(guò)詳細(xì)數(shù)據(jù)對(duì)比，將3座泵站斜軸軸流泵裝置模型與TJ04-ZL-20泵段的綜合特性曲線在能量特性、空化余量方面的區(qū)別列于表3和表4。

表4 不同揚(yáng)程下斜軸軸流泵裝置與TJ04-ZL-20泵段的能量特性對(duì)比

圖4 長(zhǎng)山河泵站斜軸軸流泵裝置模型和J04-ZL-20泵段模型綜合特性曲線

表3 不同葉片角度下斜軸軸流泵裝置與TJ04-ZL-20泵段最優(yōu)工況點(diǎn)差異

表3對(duì)長(zhǎng)山河、鹽官、八堡泵站的斜軸軸流泵裝置最優(yōu)工況點(diǎn)參數(shù)與TJ04-ZL-20泵段最優(yōu)工況點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，相同葉片角度下，3個(gè)斜軸軸流泵的裝置最優(yōu)工況點(diǎn)效率比泵段低5%～10%；裝置最優(yōu)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程比泵段最優(yōu)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程高7%～11.6%；裝置最優(yōu)工況點(diǎn)的NPSHC比泵段的NPSHC要小，且葉片角度越大，兩者之間的差異越明顯，當(dāng)葉片角度為-4°時(shí)，兩者NPSHC數(shù)值基本一致。

表4對(duì)比了不同揚(yáng)程和葉片角度下各泵站斜軸軸流泵裝置與TJ04-ZL-20泵段的NPSHC關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)：

a.相同葉片角度下，揚(yáng)程越大，裝置NPSHC與泵段NPSHC的差異越明顯；揚(yáng)程越低，兩者差異越小。當(dāng)揚(yáng)程為8 m時(shí)，裝置與泵段的NPSHC比值在73%～87.4%范圍內(nèi)，兩者存在一定偏差。但是當(dāng)揚(yáng)程為4 m時(shí)，兩者的比值為90.6%～109%，說(shuō)明在低揚(yáng)程下，兩者基本接近。

b.無(wú)論裝置還是泵段，靠近最優(yōu)工況點(diǎn)時(shí)NPSHC小，偏離最優(yōu)工況點(diǎn)時(shí)NPSHC大，且偏離得越遠(yuǎn)，NPSHC越大。

c.對(duì)于采用相同泵段的不同斜軸軸流泵裝置，其NPSHC特性略有區(qū)別。同葉片角度、同揚(yáng)程條件下，裝置NPSHC與泵段NPSHC的比例關(guān)系在73%～109%的范圍內(nèi)。其中在高揚(yáng)程段，裝置NPSHC小于泵段NPSHC的概率大，隨著揚(yáng)程的降低，裝置NPSHC大于泵段NPSHC的概率逐漸增大。

d.通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，裝置NPSHC的決定因素是轉(zhuǎn)輪水力模型，裝置型線及泵軸傾角對(duì)NPSHC的影響并沒(méi)有表現(xiàn)出較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

e.相同揚(yáng)程下，葉片角度對(duì)裝置NPSHC的影響顯著，特別在高揚(yáng)程下，改變?nèi)~片角度可以有效降低NPSHC。這與林鵬等[16]的研究成果吻合較好，他們的研究表明，空蝕發(fā)生與葉片軸向速度、徑向速度、絕對(duì)速度的流動(dòng)系數(shù)有較強(qiáng)的相關(guān)性，而葉片角度則是影響葉片流速分布的重要原因。因此，通過(guò)改變?nèi)~片角度，可以有效地改變空化特性，這也是指導(dǎo)泵變槳運(yùn)行的依據(jù)之一。

3 空化特性與空化發(fā)展分析

3.1 空化特性分析

在6組不同葉片角度(-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°)工況下對(duì)3座泵站斜軸軸流泵裝置模型開(kāi)展空蝕試驗(yàn)，獲取各泵站不同葉片角度下的揚(yáng)程與臨界空化余量曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 不同葉片角度下各泵站裝置的揚(yáng)程-臨界空化余量曲線

從圖5可以看出,隨著斜軸軸流泵裝置的揚(yáng)程增大，NPSHC呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，其最小臨界空化余量點(diǎn)出現(xiàn)的位置有所區(qū)別，數(shù)值均接近5 m；最大臨界空化余量點(diǎn)出現(xiàn)在最大揚(yáng)程處。對(duì)于不同葉片角度而言，橫向?qū)Ρ?個(gè)模型泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，最大的NPSHC值均出現(xiàn)在葉片角度為+2°時(shí)，最小的NPSHC值對(duì)應(yīng)的葉片角度不一。此外，不同泵站斜軸軸流泵裝置模型均表現(xiàn)出揚(yáng)程越大，不同葉片角度下對(duì)應(yīng)NPSHC的差異越大的特點(diǎn)。

進(jìn)一步對(duì)不同葉片角度(-6°、-2°、+2°)條件下，不同泵站斜軸軸流泵裝置流量與臨界空化余量的關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出，對(duì)于特定葉片角度，隨著流量的增大，NPSHC呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，最優(yōu)空化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量大小不一。橫向?qū)Ρ?個(gè)不同葉片角度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著葉片角度的增大，最優(yōu)空化流量點(diǎn)向大流量方向移動(dòng)，但總體上都處在300～400 L/s的范圍內(nèi)。另外，即使3座泵站的斜軸軸流泵裝置型線、軸系傾角存在區(qū)別，但是在相同葉片角度下的NPSHC變化趨勢(shì)與最優(yōu)空化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量均基本一致。根據(jù)3座泵站采用的泵段水力模型相同，但是流道型線及泵軸傾角不同可以推斷，NPSHC主要受水泵葉輪水力模型影響，與流道設(shè)計(jì)和軸系傾角的關(guān)系并不明顯。

圖6 不同葉片角度下各泵站裝置的流量-臨界空化余量曲線

3.2 空化發(fā)展分析

由于相同水力模型的空化性能較為一致，本文以長(zhǎng)山河泵站模型泵為例，選取不同葉片角度與泵流量條件下臨界空化點(diǎn)的葉輪段空泡觀測(cè)圖進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 長(zhǎng)山河泵站模型泵不同葉片角度下的葉輪段氣泡

從圖7可以看出，葉頂間隙空化發(fā)生的初始位置位于葉頂翼型頭部，空泡團(tuán)為沿葉片工作面向背面旋轉(zhuǎn)的漩渦空化。隨著泵進(jìn)口真空度的提高，葉頂間隙空化發(fā)生的位置、空泡團(tuán)與葉頂粘連的區(qū)域均呈現(xiàn)由翼型頭部向尾部延伸發(fā)展的趨勢(shì)。這與曹衛(wèi)東等[17]的空化數(shù)值模擬研究成果較吻合。在不同工況下，間隙空化是所有空化試驗(yàn)過(guò)程中都存在的特點(diǎn)，但是葉片表面空化卻不是一定會(huì)發(fā)生的，有些工況只有間隙空化，而沒(méi)有發(fā)生葉片空化。甚至在抽真空的過(guò)程中，效率會(huì)有略微上升的現(xiàn)象發(fā)生，這可能與間隙空化產(chǎn)生的汽泡填塞了部分葉片與轉(zhuǎn)輪室的間隙，容積損失減低，進(jìn)而造成效率小幅度提升的情況有關(guān)。

4 結(jié) 論

a.因最高揚(yáng)程工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的NPSHC較大，且葉片角度越大，NPSHC也越大。因此，當(dāng)水泵進(jìn)入高揚(yáng)程區(qū)域運(yùn)行后，應(yīng)優(yōu)先選擇變槳技術(shù)，將葉片角度調(diào)節(jié)至小角度(如-8°、-6°)運(yùn)行，從而減小NPSHC值。

b.因NPSHC與揚(yáng)程的關(guān)系是兩頭高、中間低。因此，當(dāng)水泵進(jìn)入低揚(yáng)程區(qū)域運(yùn)行時(shí)，也應(yīng)優(yōu)先選擇變槳技術(shù)，將葉片角度調(diào)節(jié)至小角度(如-8°、-6°)運(yùn)行，從而減小NPSHC值。

c.若采用半調(diào)節(jié)水泵，則在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)速和葉輪直徑的乘積，或選擇較小的葉片角度作為設(shè)計(jì)角度，從而降低真機(jī)最高揚(yáng)程下的NPSHC，換取較小的葉輪淹沒(méi)深度和土建開(kāi)挖深度。

d.當(dāng)缺乏斜軸軸流泵裝置特性曲線時(shí)，在采用泵段曲線進(jìn)行選型計(jì)算時(shí)，對(duì)于泵段的NPSHC應(yīng)進(jìn)行一定的處理。經(jīng)過(guò)對(duì)3座泵站的統(tǒng)計(jì)，斜軸軸流泵裝置NPSHC與泵段NPSHC的比例關(guān)系在73.3%～109%。高揚(yáng)程時(shí)，泵段NPSHC大于裝置NPSHC；中低揚(yáng)程時(shí)，兩者差異較小，甚至局部工況下，會(huì)出現(xiàn)裝置NPSHC大于泵段NPSHC的情況。因此，在高揚(yáng)程下，使用泵段NPSHC確定機(jī)組安裝高程是安全的，而在中低揚(yáng)程下，建議在使用泵段NPSHC時(shí)，再額外考慮1.1倍的安全余量。