可調(diào)導(dǎo)葉對雙向潛水貫流泵裝置性能影響的試驗分析

劉金生，丁 平，，楊 澎，呂玉婷，楊 帆*

（1.揚州市水利工程建設(shè)中心，江蘇 揚州 225000；2.揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009）

雙向潛水貫流泵裝置具有效率高、水泵機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊及安裝維修方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于具有雙向抽水功能需求的城市泵站工程中。導(dǎo)葉體是雙向貫流泵裝置中用以回收葉輪出口水流環(huán)量、提高泵裝置水力效率的主要過流結(jié)構(gòu)。針對潛水泵裝置水力效率提高的問題，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究工作并取得了不少的研究成果。研究主要集中于潛水泵裝置的結(jié)構(gòu)及流道幾何尺寸的比選及數(shù)值優(yōu)化［1-4］、葉輪和導(dǎo)葉體幾何參數(shù)的優(yōu)化［5-7］等方面，研究方法主要采用數(shù)值模擬和物理模型試驗。采用可調(diào)導(dǎo)葉提高泵及泵裝置水力效率的研究工作較少，但也有學(xué)者取得了一些研究成果［8-13］，如：錢忠東等［8-9］采用物理模型試驗和數(shù)值模擬方法分析了不同導(dǎo)葉安放角對軸流泵運行工況調(diào)節(jié)的影響規(guī)律，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉安放角能夠提高動能回收的比例，從而提高軸流泵的揚程和效率。楊帆等［11］采用數(shù)值模擬技術(shù)分析了不同安放角的可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉對軸流泵水力性能的影響規(guī)律，獲得了進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉對軸流泵水力性能調(diào)節(jié)的綜合特性曲線。Kim Youn Sung等［12］采用數(shù)值模擬方法定性定量分析了進(jìn)口導(dǎo)葉片的安放角對潛水軸流泵內(nèi)流場及水力性能參數(shù)的影響。在分析總結(jié)已有文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上，本文基于揚州閘泵站雙向潛水貫流泵裝置的結(jié)構(gòu)特點，提出了采用雙側(cè)可調(diào)導(dǎo)葉的技術(shù)方案，采用物理模型試驗方法探析雙可調(diào)導(dǎo)葉對雙向潛水貫流泵裝置水力性能的影響規(guī)律，旨在為揚州閘泵站雙向潛水貫流泵裝置的高效安全穩(wěn)定運行提供技術(shù)支撐。

1 工程概況及設(shè)計參數(shù)

揚州閘泵站承擔(dān)揚州市城區(qū)澇水及周邊區(qū)域匯水排放、有效控制古運河水位、提高城市防洪能力，并保證古運河和儀揚河干流生態(tài)基流的任務(wù)。該泵站安裝有2臺2400GZBWBS型雙向潛水貫流泵裝置機(jī)組，原型水泵葉輪直徑2 400 mm，配套電機(jī)為YQGN990-10-1000/400（抽排/抽引）kW/10kV帶行星齒輪雙速潛水干式電機(jī)，抽排轉(zhuǎn)速158 r/min，抽引轉(zhuǎn)速127 r/min。雙向潛水貫流泵裝置單線圖如圖1所示。引水設(shè)計凈揚程0.65 m，引水最高凈揚程0.80 m，引水平均凈揚程0.33 m，排澇設(shè)計凈揚程2.44 m，排澇最高凈揚程3.41 m，排澇平均凈揚程1.35 m，攔污柵及進(jìn)出口門槽損失按0.4 m設(shè)計，排澇設(shè)計流量為16.57 m3/s，引水設(shè)計流量為15.17 m3/s。

圖1 雙向潛水貫流泵裝置單線圖

雙向潛水貫流泵裝置的進(jìn)出水側(cè)流道長度均為5.104D，流道的進(jìn)口高度均為1.72D、寬度為2.21D，燈泡體段長1.888D，燈泡體支撐件為5片，支撐件長度0.449D，其中D為葉輪的名義直徑。葉輪兩側(cè)均采用了可調(diào)節(jié)導(dǎo)葉體，葉輪的兩側(cè)分別為常規(guī)導(dǎo)葉體和擴(kuò)散導(dǎo)葉體，擴(kuò)散導(dǎo)葉體的單邊擴(kuò)散角為13°，擴(kuò)散導(dǎo)葉體與燈泡體相連，根據(jù)文獻(xiàn)［11］中的研究成果，采用對稱平板翼型的直可調(diào)導(dǎo)葉片，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于翼型的幾何形心。雙向泵葉輪采用揚州大學(xué)江蘇省水利動力工程重點實驗室研發(fā)的SZM35，葉輪的葉片數(shù)為4，可調(diào)導(dǎo)葉體的葉片數(shù)均為5。根據(jù)水泵相似律換算，引水設(shè)計揚程時泵裝置設(shè)計流量為237.03 L/s，排澇設(shè)計揚程時泵裝置設(shè)計流量為258.91 L/s。

2 泵裝置模型試驗

2.1 泵裝置物理模型及試驗內(nèi)容

雙向潛水貫流泵裝置的模型泵葉輪名義直徑為300 mm，導(dǎo)葉體和葉輪的定位表面的軸向跳動為0.10 mm，輪轂的外表面的徑向跳動為0.08 mm，葉頂間隙控制在0.15 mm以內(nèi)，雙向潛水貫流泵裝置的物理模型如圖2所示。依據(jù)nD值相等原則（n為葉輪的轉(zhuǎn)速），雙向潛水貫流泵裝置引水工況時模型泵葉輪轉(zhuǎn)速為1 016 r/min，排澇工況時模型泵葉輪轉(zhuǎn)速為1 264 r/min。開展了燈泡體前后置對雙向潛水貫流泵裝置能量性能的影響分析、不同可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角對泵裝置能量性能的影響分析以及在固定可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角下不同葉片安放角時泵裝置的空化性能和飛逸特性試驗。

圖2 雙向潛水貫流泵裝置的物理模型

2.2 雙向潛水貫流泵裝置的能量性能

定義燈泡體位于外河側(cè)時，引水工況時泵裝置的燈泡體前置，排澇工況時泵裝置的燈泡體后置；燈泡體位于內(nèi)河側(cè)時，引水工況時泵裝置的燈泡體后置，排澇工況時泵裝置的燈泡體前置。為便于說明，定義QZ為燈泡體前置，HZ為燈泡體后置，泵裝置能量性能試驗參照文獻(xiàn)［14］的規(guī)定要求，燈泡體位于外河側(cè)時潛水貫流泵裝置的能量性能曲線如圖3所示，燈泡體位于內(nèi)河側(cè)時潛水貫流泵裝置的能量性能曲線如圖4所示。在燈泡體位于外河側(cè)、葉片安放角0°且可調(diào)導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)角0°條件下，引水設(shè)計揚程時泵裝置的流量為264.37 L/s，效率為54.34%；排澇設(shè)計揚程時泵裝置的流量為275.4 L/s，效率為58.26%。在燈泡體位于外河側(cè)、葉片安放角-2°條件且可調(diào)導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)角0°下，引水設(shè)計揚程時泵裝置的流量為245.13 L/s，效率為57.23%；排澇設(shè)計揚程時泵裝置的流量為257.36 L/s，效率為60.02%。在燈泡體位于內(nèi)河側(cè)、葉片安放角0°且可調(diào)導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)角0°條件下，引水設(shè)計揚程時泵裝置的流量為257.16 L/s，效率為56.25%；排澇設(shè)計揚程時泵裝置的流量為289.63 L/s，效率為59.29%。在燈泡體位于內(nèi)河側(cè)、葉片安放角-2°且可調(diào)導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)角0°條件下，引水設(shè)計揚程時泵裝置的流量為247.27 L/s，效率為59.12%；排澇設(shè)計揚程時泵裝置的流量為265.19 L/s，效率為60.03%。無論燈泡體在外河側(cè)還是內(nèi)河側(cè)，在葉片安放角-2°和0°時雙向潛水貫流泵裝置的流量均滿足引水設(shè)計工況和排澇設(shè)計工況的流量要求，葉片安放角-2°時泵裝置效率高于葉片安放角0°泵裝置效率，但效率均低于揚州閘泵站雙向潛水貫流泵裝置的設(shè)計效率要求，建議葉片安放角選擇在-2°，排澇工況采用燈泡體后置方案、調(diào)節(jié)可調(diào)擴(kuò)散導(dǎo)葉的導(dǎo)葉片角度，引水工況采用燈泡體前置方案、調(diào)節(jié)可調(diào)直導(dǎo)葉的導(dǎo)葉片角度。

圖3 雙向潛水貫流泵裝置的能量性能曲線（燈泡體位于外河側(cè)）

圖4 雙向潛水貫流泵裝置的能量性能曲線（燈泡體位于內(nèi)河側(cè)）

針對引水設(shè)計揚程1.05 m和排澇設(shè)計揚程2.84 m，在葉片安放角-2°時開展了可調(diào)導(dǎo)葉片不同調(diào)節(jié)角時泵裝置的能量性能試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。在引水工況設(shè)計揚程1.05 m時，在直可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角12°時燈泡體前置的泵裝置效率為64.1%，流量為250.46 L/s，為設(shè)計引水流量的1.056倍；在直可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角16°和20°時燈泡體前置的泵裝置效率分別為62.86%、62.01%，流量分別為250.02 L/s、249.86 L/s，均約是設(shè)計引水流量的1.054倍。依據(jù)相同揚程時流量大效率高的原則，引水設(shè)計揚程工況時選擇燈泡體前置、直可調(diào)導(dǎo)葉的葉片安放角12°方案，相比直可調(diào)導(dǎo)葉0°時泵裝置效率提高了6.87%，原型泵裝置機(jī)組流量為16.02 m3/s。在排澇工況設(shè)計揚程2.84 m時，在擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角20°時燈泡體后置的泵裝置效率為66.2%，流量為267.03 L/s，是排澇設(shè)計流量的1.031倍；在擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角16°時燈泡體后置的泵裝置效率為66.01%，流量為265.93 L/s，是排澇設(shè)計流量的1.027倍。依據(jù)相同揚程時，流量大效率高的原則，排澇設(shè)計揚程工況時選擇燈泡體后置、擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉的葉片調(diào)節(jié)角20°方案，相比擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉0°時泵裝置效率提高了6.18%，原型泵裝置機(jī)組流量為17.08 m3/s，滿足泵裝置排澇設(shè)計流量要求。相比可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角0°時，可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角分別為12°和20°時泵裝置效率平均提高了約6.23%。

圖5 設(shè)計揚程工況時泵裝置的性能曲線（葉片安放角-2°）

2.3 雙向潛水泵裝置的空化性能

雙向潛水貫流泵裝置的空化性能試驗采用定流量的能量法［14］，取泵裝置模型效率較其能量性能點下降1%的有效空化余量作為必需汽蝕余量（以葉輪中心為基準(zhǔn)）?？烧{(diào)導(dǎo)葉的葉片調(diào)節(jié)角12°時QZ潛水貫流泵裝置空化曲線如圖6（a）所示，相同葉片安放角時，隨著流量的增大葉輪的必需汽蝕余量呈先減小后增大的變化趨勢，在排澇工況最高揚程3.81 m、葉片安放角-2°時，葉輪的必需汽蝕余量為6.9 m；排澇工況設(shè)計揚程2.84 m時，葉輪的必需汽蝕余量為5.13 m?？烧{(diào)導(dǎo)葉的葉片調(diào)節(jié)角20°時HZ潛水貫流泵裝置的泵裝置空化曲線如圖6（b）所示，在相同葉片安放角時，隨流量的增大，葉輪的必需汽蝕余量呈逐漸減小的趨勢，在葉片安放角-2°、引水工況最高揚程1.2 m時，葉輪的必需汽蝕余量為5.8 m；引水工況設(shè)計揚程1.05 m時，葉輪的必需汽蝕余量為5.91 m。潛水貫流泵裝置的葉輪安裝高程均滿足要求。

圖6 不同葉片安放角時泵裝置的空化性能曲線

2.4 雙向潛水泵裝置的飛逸特性

泵裝置的飛逸特性試驗通過對試驗臺流動系統(tǒng)的管路切換，調(diào)節(jié)輔助泵使泵裝置反向運行，扭矩儀不受力，測試不同反向水頭時泵裝置模型的葉輪轉(zhuǎn)速。直可調(diào)導(dǎo)葉的葉片調(diào)節(jié)角12°時QZ潛水貫流泵裝置的飛逸特性曲線如圖7（a）所示，擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉的葉片調(diào)節(jié)角20°時HZ潛水貫流泵裝置的飛逸特性曲線如圖7（b）所示。不同葉片安放角時隨著反向水頭的增大，葉輪的飛逸轉(zhuǎn)速逐漸增大；相同反向水頭時，隨著葉片安放角的減小，葉輪的飛逸轉(zhuǎn)速逐漸增大。在葉片安放角-2°時，排澇工況最大凈揚程3.41 m時，原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為381.42 r/min，是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的2.41倍。引水工況最大凈揚程0.8 m時，原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為181.05 r/min，是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.43倍。在校核電機(jī)和水泵強(qiáng)度時建議采用2.5倍額定轉(zhuǎn)速，確保電機(jī)和水泵能在排澇工況381.42 r/min時運轉(zhuǎn)2 min以上。

圖7 不同葉片安放角時泵裝置的飛逸特性曲線

3 結(jié)論

（1）通過物理模型試驗對比分析了燈泡體位置對雙向運行時潛水貫流泵裝置能量性能的影響，揚州閘泵站雙向潛水貫流泵裝置優(yōu)選了排澇工況燈泡體后置的技術(shù)方案，葉片安放角建議選擇在-2°。

（2）在葉片安放角-2°時，直可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角12°下燈泡體前置的泵裝置效率為64.1%，流量為250.46 L/s，為設(shè)計引水流量的1.056倍；在排澇工況設(shè)計揚程2.84 m時，擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角20°下燈泡體后置的泵裝置效率為66.2%，流量為267.03 L/s，是排澇設(shè)計流量的1.031倍?？烧{(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角12°和20°時泵裝置效率相比可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角0°時泵裝置效率平均提高了約6.23%。

（3）在葉片安放角-2°時，排澇工況最高揚程3.81 m下葉輪的必需汽蝕余量為6.9 m，引水工況最高揚程1.2 m下葉輪的必需汽蝕余量為5.8 m。在葉片安放角-2°時，排澇工況最大凈揚程3.41 m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為381.42 r/min，是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的2.41倍，引水工況最大凈揚程0.8 m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為181.05 r/min，是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.43倍。