新桃花港江邊樞紐工程雙向立式泵裝置模型試驗(yàn)分析

劉曉成,蔡一平,孫圣杰;袁 堯,周廣新,楊 帆

(1.江陰市防汛抗旱服務(wù)中心,江蘇 江陰 214400;2. 江蘇省水利科學(xué)研究院,南京210017;3.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009;4.江蘇航天水力設(shè)備有限公司,江蘇 高郵 225600)

0 引 言

雙向立式泵裝置具有抽排、抽引、自排、自引等多重功能,且裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,施工及檢修方便,被廣泛應(yīng)用于我國(guó)沿江濱湖地區(qū)。在實(shí)際泵站運(yùn)行工程中,常有泵站機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲大、水泵空化嚴(yán)重等不良現(xiàn)象,對(duì)泵站的高效安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大影響。為此,許多學(xué)者針對(duì)該類型泵裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水力性能及消渦措施等開展了相關(guān)研究工作。張后文等[1]、趙振江等[2]采用數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)雙向立式泵裝置的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。王鐵力等[3]、金海銀等[4]等采用物理模型試驗(yàn),分別對(duì)澡港河泵站、新溝邊樞紐泵站泵裝置的能量性能、汽蝕性能和飛逸特性進(jìn)行了分析,為兩座泵站的高效安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支撐。單陸丹等[5]、楊帆等[6-7]采用數(shù)值模擬技術(shù),分析了雙向立式泵裝置的水力性能。

目前,針對(duì)泵裝置的研究方法主要采用數(shù)值模擬,輔以物理模型試驗(yàn),但以實(shí)際泵站的泵裝置為研究對(duì)象時(shí),大多采用物理模型試驗(yàn)的方法[8-12]。為了更加全面系統(tǒng)地了解該泵站的裝置性能,根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50265-2022)10.2.4節(jié)中雙層流道雙向泵站必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行裝置模型試驗(yàn)的要求,采用物理模型試驗(yàn)方法,對(duì)新桃花港江邊樞紐泵站泵裝置的運(yùn)行性能進(jìn)行測(cè)試,以期全面了解新桃花港江邊樞紐工程泵站的運(yùn)行性能,為同類型泵站的設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理提供參考數(shù)據(jù)。

1 工程概況

新桃花港江邊樞紐工程位于江陰市璜土鎮(zhèn)桃花港與長(zhǎng)江連通處,工程主要功能為擴(kuò)大區(qū)域洪水北排長(zhǎng)江的能力,提高武澄錫虞地區(qū)防洪除澇能力、增強(qiáng)區(qū)域引江能力和水資源調(diào)控能力,增強(qiáng)區(qū)域河網(wǎng)水動(dòng)力,改善區(qū)域水環(huán)境。該工程采用泵閘合建的方式,泵站為排澇與引水雙重功能泵站,共3臺(tái)立式軸流泵機(jī)組,單機(jī)設(shè)計(jì)流量為16m3/s,配套高壓立式同步電動(dòng)機(jī),額定功率90kW,全站設(shè)計(jì)流量均為48m3/s,總裝機(jī)容量2 700kW。

為滿足該泵站雙向抽水的功能需要,泵站采用箱涵式雙向立式泵裝置結(jié)構(gòu)形式,流道為箱涵式雙向結(jié)構(gòu)。箱涵式雙向進(jìn)水流道長(zhǎng)度11.7D,凈寬2.66D,凈高1.25D;箱涵式雙向出水流道的長(zhǎng)度6.64D,凈寬2.66D,凈高1.25D。泵站特征揚(yáng)程見表1;泵房剖面圖見圖1。

圖1 泵房剖面圖

表1 泵站特征揚(yáng)程

表1中,凈揚(yáng)程是指僅考慮泵站上下游水位差,設(shè)計(jì)揚(yáng)程應(yīng)考慮攔污柵及上下游閘門門槽的水力損失,約0.3m。泵站運(yùn)行揚(yáng)程較低,正反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程相差較大,揚(yáng)程變幅較大。

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

新桃花港江邊樞紐工程雙向立式軸流泵裝置的物理試驗(yàn),在江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。該試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)在文獻(xiàn)[12]中有表述,泵裝置模型試驗(yàn)的葉輪名義直徑300 mm,轉(zhuǎn)速1 164 r/min,葉輪的葉片數(shù)為3,導(dǎo)葉體為擴(kuò)散導(dǎo)葉,導(dǎo)葉片數(shù)為5,原模型的泵裝置幾何比尺8.533。

新桃花港雙向立式泵裝置物理模型見圖2,箱涵式進(jìn)出水流道各部位幾何尺寸的最大允許誤差為5%。模型試驗(yàn)內(nèi)容包括:5個(gè)葉片安放角時(shí)泵裝置的能量性能;各葉片安放角時(shí)5個(gè)特征揚(yáng)程工況的泵裝置空化性能試驗(yàn)和各葉片安放角時(shí)泵裝置飛逸性能試驗(yàn)。

圖2 新桃花港雙向立式軸流泵裝置物理模型

在物理模型試驗(yàn)過程中,測(cè)試設(shè)備均經(jīng)過國(guó)家認(rèn)可的計(jì)量標(biāo)定部門檢定,標(biāo)定時(shí)間均在有效期內(nèi)。流量計(jì)的系統(tǒng)不確定度為±0.2%,凈揚(yáng)程測(cè)量的系統(tǒng)不確定度為±0.1%,轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩測(cè)量的系統(tǒng)不確定度為±0.15%,轉(zhuǎn)速測(cè)量的系統(tǒng)不確定度為±0.05%,則該試驗(yàn)臺(tái)泵裝置能量性能效率測(cè)試的系統(tǒng)不確定度為±0.274%。選取在揚(yáng)程1.603m時(shí)采集泵裝置的能量性能參數(shù)并計(jì)算效率的隨機(jī)不確定度為±0.11%,參照文獻(xiàn)[8]的計(jì)算方法,新桃花港江邊樞紐泵站的泵裝置效率測(cè)試的總不確定度為±0.296%,滿足《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)》(SL 140-2006)的要求。

3 結(jié)果與分析

在5個(gè)葉片安放角時(shí),雙向立式軸流泵裝置的最優(yōu)工況性能參數(shù)見表2。在葉片安放角0°時(shí),泵裝置的效率最高為70.01%;在葉片安放角+2°、-2°和-4°時(shí),泵裝置的最高效率均超過69%;在葉片安放角+4°時(shí),泵裝置的最高效率為67.71%。在排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.83m時(shí),葉片安放角+2°下泵裝置的流量為224.4 L/s,泵裝置效率為67.5%,對(duì)應(yīng)原型泵裝置的流量為16.34m3/s;在引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.34m時(shí),葉片安放角-4°下泵裝置的流量為215.8L/s,泵裝置效率為66.5%,對(duì)應(yīng)原型泵裝置的流量為16.84m3/s。在排澇和引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí),泵裝置的流量均滿足設(shè)計(jì)流量16m3/s的要求,同時(shí)效率滿足《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50265-2022)10.1.11節(jié)中泵裝置效率不宜低于60%的要求。

表2 泵裝置能量性能試驗(yàn)最優(yōu)工況參數(shù)

[NPSH]c不同流量工況時(shí),泵裝置的臨界空化余量[NPSH]c變化規(guī)律見圖3。在葉片安放角為0° ～ +4°范圍內(nèi),臨界空化余量隨著流量的增大而減小;在相同流量時(shí),臨界空化余量隨著葉片安放角的增大而增大。在葉片安放角為負(fù)角度時(shí),臨界空化余量隨著流量的增大呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。在排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.83m時(shí),葉片安放角+2°下水泵的臨界空化余量為6.2m;在引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.34m時(shí),葉片安放角-4°下泵裝置的臨界空化余量為3.5m。在泵裝置空化性能模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,依據(jù)水泵的最小淹沒深度計(jì)算式,校核水泵的最小淹沒水深是否滿足水泵的空化性能要求。水泵的最小淹沒深度計(jì)算式如下:

圖3 不同流量時(shí)泵裝置的臨界空化余量曲線圖

(1)

式中:[NPSH]為水泵的允許空化余量;Pc為進(jìn)水流道的吸入水面的絕對(duì)壓力;Pv為水體的汽化壓力;ρ為水體的密度;g為重力加速度。

根據(jù)圖3可知,泵裝置在最大揚(yáng)程時(shí)臨界空化余量為6.5m,取允許空化余量為臨界空化余量的1.6倍,允許空化余量[NPSH]為10.4m,則hs=10.4-10.24+0.44=0.6m。新桃花港泵站水泵的葉輪中心安裝高度為-1.4m,最低進(jìn)水水位為1.59m,水泵的最小淹沒深度為2.99m,滿足水泵的空化性能要求。

不同葉片安放角時(shí),該泵裝置的水泵單位飛逸轉(zhuǎn)速見圖4(a)。隨著葉片安放角的逐漸增大,單位飛逸轉(zhuǎn)速逐漸減小。在排澇最大凈揚(yáng)程3.25m和引水最大凈揚(yáng)程2.81m時(shí),原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速及其與額定轉(zhuǎn)速的比值見圖4(b)。葉片安放角+2°時(shí),最大凈揚(yáng)程3.25m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.44倍;在葉片安放角-4°時(shí),最大凈揚(yáng)程2.81m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.54倍。

圖4 單位飛逸轉(zhuǎn)速及比值

4 結(jié) 論

1)在葉片安放角為0°時(shí),新桃花港江邊樞紐工程泵站的裝置效率最高為70.01%。在排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.83m時(shí),葉片安放角+2°下原型泵裝置的流量為224.4 L/s,效率為67.5%;在引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.34m時(shí),葉片安放角-4°下原型泵裝置的流量為16.84m3/s,泵效率為66.5%。表明在排澇和引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí),泵裝置的流量均滿足設(shè)計(jì)流量要求。

2)在葉片安放角為0° ～ +4°范圍內(nèi),臨界空化余量隨著流量的增大而減小;在相同流量時(shí),臨界空化余量隨著葉片安放角的增大而增大。在葉片安放角為負(fù)角度時(shí),臨界空化余量隨著流量的增大呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。新桃花港泵站水泵葉輪中心的最小淹沒深度滿足水泵的空化性能要求。

3)葉片安放角為+2°時(shí),最大凈揚(yáng)程3.25m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.44倍;在葉片安放角-4°時(shí),最大凈揚(yáng)程2.81m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.54倍。建議按額定轉(zhuǎn)速的1.54倍校核機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。