大型立式軸流泵裝置葉輪選型模型試驗分析

謝傳流 湯方平 劉 超 楊 帆 石麗建 段小匯

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225100)

大型立式軸流泵裝置葉輪選型模型試驗分析

謝傳流 湯方平 劉 超 楊 帆 石麗建 段小匯

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225100)

軸流泵葉輪選型不當(dāng)會導(dǎo)致泵站運(yùn)行工況的偏離，降低使用效率，增大機(jī)組振動，影響泵站的高效、安全和穩(wěn)定運(yùn)行，合理地進(jìn)行軸流泵葉輪的選型，對軸流泵的運(yùn)行具有實際意義。以立式軸流泵模型試驗為基礎(chǔ)，分析了軸流泵葉輪的選型辦法，在傳統(tǒng)選型辦法基礎(chǔ)上增加了以泵站的流量加權(quán)平均值、效率加權(quán)平均值和臨界汽蝕余量加權(quán)平均值作為參考的泵站選型辦法，可以更加合理地優(yōu)選出適合泵站運(yùn)行的水泵葉輪。優(yōu)選出方案3葉輪，此時泵裝置在葉片安放角6°時，流量為398.5 L/s，揚(yáng)程為6.07 m，效率達(dá)到75.5%，臨界汽蝕余量達(dá)到7.4 m，設(shè)計點性能最優(yōu)，高效區(qū)較寬，同時泵裝置流量加權(quán)平均值為414.25 L/s，效率加權(quán)平均值為71.385%，臨界汽蝕余量加權(quán)平均值為8.435 m，綜合性能最優(yōu)。

立式軸流泵; 葉輪; 泵站; 選型; 模型試驗

引言

立式軸流泵是農(nóng)業(yè)排灌、城市給排水、火電廠輸送循環(huán)水等工程優(yōu)先選用的泵型[1]，在我國已建的300多座大型泵站中，大部分采用了該泵型[2]。對于該類泵型，泵站管理人員積累了長期的管理經(jīng)驗，熟悉泵站的運(yùn)行狀況，對泵站發(fā)生的各類狀況能夠及時、應(yīng)急的處理，能夠保證泵站高效、有序的運(yùn)行，延長泵站的使用壽命。然而軸流泵裝置選用不同的葉輪,水泵的參數(shù)變化比較大，軸流泵流量-揚(yáng)程曲線、流量-效率曲線變化斜率比較大，稍許偏離設(shè)計工況，就可能導(dǎo)致極大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成安全隱患。因此選用適合水泵運(yùn)行的葉輪顯得尤為重要。目前普遍認(rèn)為模型試驗花費(fèi)的時間較長，對于水泵葉輪的選型都是在已有模型葉輪泵段試驗的基礎(chǔ)上，基于已經(jīng)公布的軸流泵系列型譜優(yōu)選出比較合適的葉輪對整體泵裝置進(jìn)行流體仿真數(shù)值模擬，然后對優(yōu)選出的水泵葉輪進(jìn)行模型試驗。而對比數(shù)值計算與模型試驗來看，因有一定的誤差，通過這種方式進(jìn)行水泵葉輪的選型很難確定符合泵站設(shè)計參數(shù)的葉輪，優(yōu)選出的葉輪僅能逼近設(shè)計點參數(shù)，偏離設(shè)計點參數(shù)將制約泵站作用的發(fā)揮。因此探求一種合理的方式進(jìn)行水泵葉輪的選型十分必要。

段正忠等[3]通過分析水泵選型在泵站工程設(shè)計中的作用,發(fā)現(xiàn)選型的合理性直接關(guān)系到泵站工程的投資、建成后的運(yùn)行費(fèi)用和供水安全。選型的基本依據(jù)是泵站工程規(guī)劃中所確定的設(shè)計參數(shù),即所在泵站的流量、揚(yáng)程及其變化規(guī)律。關(guān)醒凡等[4]通過對南水北調(diào)工程大型軸流泵選型中值得注意的幾個問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)模型泵配上裝置進(jìn)行模型泵裝置試驗,在對裝置內(nèi)流動狀態(tài)和水力損失不十分清楚的情況下,可以作為驗證裝置性能的一種手段。蘭才有等[5]通過對南水北調(diào)東線工程水泵機(jī)組選型方法的探討，發(fā)現(xiàn)關(guān)于水泵選型方面的文獻(xiàn)大多僅涉及某一性能參數(shù)的分析。吳桂民[6]通過對水泵的類型及其特點的比較分析，提出應(yīng)根據(jù)泵站工作性質(zhì)對水泵的類型、結(jié)構(gòu)、臺數(shù)進(jìn)行綜合考慮選出最佳方案。李小芳等[7]通過設(shè)計軟件進(jìn)行水泵選型，節(jié)約了成本。魏旭等[8]通過對水泵站水泵選型設(shè)計和工況的分析得出對于設(shè)計流量、揚(yáng)程變幅較大的泵站，水泵參數(shù)選擇應(yīng)兼顧不同工況點。嚴(yán)登豐等[9]通過對某供水泵站工程進(jìn)行水力模型的選擇和模型試驗，得出了適合泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的水力模型。

本文在制作優(yōu)化后的進(jìn)、出水流道模型的基礎(chǔ)上，不變更模型裝置進(jìn)、出水流道的前提下，通過更換不同型號的模型葉輪和與葉輪相匹配的導(dǎo)葉進(jìn)行模型試驗，分析設(shè)計參數(shù)和不同葉輪的試驗數(shù)據(jù)，選出優(yōu)秀且適合泵站設(shè)計參數(shù)的水泵葉輪。

1 工程概況

某泵站規(guī)劃為城市排澇泵站，兼顧抽排和自排功能?？傇O(shè)計抽排流量91.7 m3/s，水泵選用7臺套水泵葉輪直徑為1 720 mm的立式半調(diào)節(jié)軸流泵，配套電動機(jī)為立式同步電動機(jī)，單機(jī)功率1 250 kW；泵站進(jìn)水流道采用鐘形進(jìn)水流道，DN2000出水鋼制彎管、擴(kuò)散管接混凝土流道進(jìn)壓力水箱。

泵站的特征水位、凈揚(yáng)程及規(guī)劃設(shè)計流量見表1?？紤]平均揚(yáng)程下涵洞水力損失0.5 m、最高揚(yáng)程水力損失0.3 m、設(shè)計揚(yáng)程下水力損失0.4 m，關(guān)注泵裝置設(shè)計揚(yáng)程6.07 m、平均揚(yáng)程3.64 m、最高揚(yáng)程7.17 m時的性能，因軸流泵馬鞍區(qū)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定[10]，最高運(yùn)行揚(yáng)程不允許到馬鞍區(qū)。

表1 泵站設(shè)計參數(shù)

2 模型試驗驗證

2.1 泵裝置試驗系統(tǒng)

在不變更優(yōu)化后的泵裝置進(jìn)、出水流道模型的基礎(chǔ)上，通過更換不同組合的針對性葉輪、導(dǎo)葉模型進(jìn)行泵裝置試驗研究，模型泵總裝圖、進(jìn)出水流道如圖1～3所示。泵裝置試驗在揚(yáng)州大學(xué)測試中心的高精度水力機(jī)械試驗臺上進(jìn)行，試驗臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，如圖4所示。在該試驗臺上針對不同水泵水力模型進(jìn)行了泵裝置能量性能試驗和汽蝕性能試驗。

圖1 某泵站水泵裝置模型流道及總裝圖(單位：mm)Fig.1 Model flow channel and assembly diagram of pump station of a pumping station

圖2 某泵站水泵裝置模型進(jìn)水流道圖(單位：mm)Fig.2 Inlet flow diagram of pump station model of a pump station

圖5 模型葉輪和導(dǎo)葉實物圖Fig.5 Physical pictures of model impeller and guide vanes

圖3 某泵站水泵裝置模型出水流道圖(單位：mm)Fig.3 Outlet flow diagram of pump station model of a pumping station

圖4 高精度水力機(jī)械試驗臺Fig.4 High-precision hydraulic machinery test bed1.進(jìn)水箱 2.受試泵裝置及驅(qū)動電動機(jī) 3.壓力出水箱 4.分叉水箱 5.流量原位標(biāo)定壓力傳感器 6.流量原位標(biāo)定裝置 7.工況調(diào)節(jié)閘閥 8.穩(wěn)壓整流筒 9.電磁流量計 10.系統(tǒng)正反向運(yùn)行控制閘閥 11.輔助泵機(jī)組

本文在傳統(tǒng)軸流泵水力模型選型辦法[11-12]的基礎(chǔ)上選用不同型號模型泵葉輪，其設(shè)計揚(yáng)程介于4.2～7.1 m之間。名義葉輪直徑D1=300 mm，實際葉輪直徑D2=299.8 mm。5副模型葉輪均用黃銅材料經(jīng)數(shù)控加工成型，如圖5a～5e所示。2副模型導(dǎo)葉用鋼質(zhì)材料焊接成型，導(dǎo)葉葉片數(shù)均為7，如圖5f、5g所示。進(jìn)出水流道采用鋼板焊接制作，進(jìn)水流道采用目前應(yīng)用廣泛的鐘型進(jìn)水流道[13]，出水流道采用圓變方彎管出水，模型泵葉輪室開有觀察窗，便于觀測葉片處的水流和汽蝕。模型泵裝置經(jīng)安裝檢查，導(dǎo)葉體與葉輪室定位面軸向跳動為0.10 mm，葉輪輪轂外表面徑向跳動為0.08 mm，葉頂間隙控制在0.20 mm以內(nèi)。不同試驗方案的組合如表2所示。

2.2 測試方法

泵裝置模型試驗測試內(nèi)容如下：5副葉輪分別在5個葉片安放角下的泵裝置模型能量性能試驗；5副葉輪分別在5個葉片安放角下5個特征揚(yáng)程點的汽蝕性能試驗。

試驗執(zhí)行GB/T 18149—2000《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗規(guī)范(精密級)》和SL140—2006《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》[14]，每個葉片安放角的性能試驗點不少于18點，臨界汽蝕余量按保持流量等于常數(shù)，改變有效汽蝕余量直至效率下降1%。

表2 不同葉輪和導(dǎo)葉的配合方案

2.3 模型泵裝置試驗結(jié)果及分析

模型泵裝置試驗測試了5副葉輪分別在5個葉片安放角下的能量性能和各葉片角度下不同流量點的汽蝕性能。根據(jù)試驗結(jié)果繪制出針對泵站的水力模型綜合特性曲線如圖6～10所示。

圖6 試驗方案1綜合特性曲線Fig.6 Integrated characteristic curves of test program 1

圖7 試驗方案2綜合特性曲線Fig.7 Integrated characteristic curves of test program 2

圖8 試驗方案3綜合特性曲線Fig.8 Integrated characteristic curves of test program 3

圖9 試驗方案4綜合特性曲線Fig.9 Integrated characteristic curves of test program 4

圖10 試驗方案5綜合特性曲線Fig.10 Integrated characteristic curves test program 5

關(guān)于水泵效率的計算方法，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多，比較經(jīng)典的有多種Moody式[15]、Ackeret式[16]、Hutton式[17]和江蘇省水利勘測設(shè)計研究院張仁田等[18]提出的建議公式，但通過計算公式得到的水泵效率與實際存在一定的誤差。本文通過模型試驗得到的水泵效率準(zhǔn)確度較高。原型和模型水泵在滿足一定幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似的前提下，可以近似進(jìn)行等效率換算，通過模型泵裝置同一工況點的參數(shù)進(jìn)行比較確定適合泵站運(yùn)行的葉輪。通過換算原型泵參數(shù)到模型泵得到對應(yīng)參數(shù)如表3所示。原型和模型水泵的流量、揚(yáng)程、軸功率近似滿足[19]

(1)

(2)

(3)

式中D——葉輪直徑,mN——軸功率,kWn——水泵轉(zhuǎn)速,r/minQ——流量,L/sH——揚(yáng)程,m

下標(biāo)p、m表示原型泵、模型泵。

表3 原型泵和模型泵設(shè)計點換算

由圖6～10可得，在設(shè)計流量398.5 L/s，揚(yáng)程6.07 m，方案4和5設(shè)計點超出試驗數(shù)據(jù)部分，從圖9和圖10中的特性曲線變化趨勢也可以看出，臨界汽蝕余量均較大，效率偏低，相比于方案1、2和3，方案4和5不適合該泵站的運(yùn)行。方案1～3對應(yīng)的葉片安放角度、臨界汽蝕余量和模型泵裝置效率如表4所示。

表4 不同方案設(shè)計點對應(yīng)葉片安放角度和臨界汽蝕余量

通過方案1～3對比分析可得，方案3設(shè)計點臨界汽蝕余量最小，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到1 133，優(yōu)勢明顯，水泵設(shè)計點效率達(dá)到75.5%，水泵運(yùn)行處于高效區(qū)，且高效區(qū)較寬，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。方案4和方案5運(yùn)行角度過大，水泵臨界汽蝕余量較大，水泵高效區(qū)偏到小流量區(qū)域，從設(shè)計揚(yáng)程單個參數(shù)來看選擇方案3更有利于泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為更進(jìn)一步確定適合泵站運(yùn)行的葉輪，本文采用下文所述方法進(jìn)行分析。

3 立式軸流泵裝置加權(quán)平均選型方法

為兼顧不同工況的水力特性[20]，泵站根據(jù)往年的水位監(jiān)測情況，可以分析出近幾年各工況運(yùn)行水位所占的比重，通過對泵站各工況運(yùn)行狀況進(jìn)行比重加權(quán)分析，更加有利于優(yōu)選出適合泵站運(yùn)行狀況的葉輪，提高泵站的最大利用率，節(jié)約能源。

效率加權(quán)平均值公式為

η(x)=∑w1iηi(x)

臨界汽蝕余量加權(quán)平均值公式為

NPSHc(x)=∑w2iNPSHci(x)

流量加權(quán)平均值公式為

Q(x)=∑w3iQi(x)

式中w1i、w2i、w3i——不同運(yùn)行工況所對應(yīng)的權(quán)重,%

ηi(x)——不同運(yùn)行工況所對應(yīng)的效率,%

Qi(x)——不同運(yùn)行工況所對應(yīng)的流量,L/s

NPSHci(x)——不同運(yùn)行工況所對應(yīng)的臨界汽蝕余量,m

x——特征運(yùn)行工況揚(yáng)程,m

立式軸流泵裝置各運(yùn)行工況所占權(quán)重約為平均揚(yáng)程(3.64 m)的35%；設(shè)計揚(yáng)程(6.07 m)的50%；最高揚(yáng)程(7.17 m)的15%。

立式軸流泵裝置方案1～3各工況運(yùn)行特征參數(shù)如表5所示，各參數(shù)加權(quán)平均值如表6所示。

表5 方案1～3各運(yùn)行工況所對應(yīng)的特征參數(shù)

表6 方案1～3各參數(shù)加權(quán)平均值

從表6可以看出，方案3的流量加權(quán)平均值最大，效率加權(quán)平均值最大，臨界汽蝕余量加權(quán)平均值最小，在滿足泵站各設(shè)計參數(shù)的條件下，流量加權(quán)平均值最大說明過流多，可以更好地發(fā)揮排澇泵站的作用，效率加權(quán)平均值最大說明泵站可以節(jié)約更多的能耗，經(jīng)濟(jì)性較好，汽蝕余量加權(quán)平均值最小說明泵裝置葉輪具有更好的抗汽蝕性能，能減少泵站因汽蝕造成的破壞，減少機(jī)組的檢修，降低泵站的噪聲，從而為泵站的運(yùn)行管理提供了一個良好的環(huán)境。本文僅列出重點關(guān)注揚(yáng)程的加權(quán)平均參數(shù)，在泵站統(tǒng)計資料完整的條件下，可以進(jìn)一步通過所有運(yùn)行工況進(jìn)行加權(quán)平均，從而對泵站葉輪選型進(jìn)行更為詳盡的分析和更有力的指導(dǎo)。

4 結(jié)論

(1)在不變更模型泵裝置進(jìn)出水流道的基礎(chǔ)上，通過更換不同的葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行模型試驗，經(jīng)過實踐，所耗時間較少。通過更換不同的葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行模型試驗所得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠、參考價值高，更有利于選擇合適泵站運(yùn)行的軸流泵裝置水力模型。

(2)通過泵裝置模型試驗可知，方案3泵裝置在葉片安放角6°時，流量398.5 L/s，揚(yáng)程6.07 m，效率達(dá)到75.5%，臨界汽蝕余量達(dá)到7.4 m，設(shè)計點性能最優(yōu)，高效區(qū)較寬，方案3泵裝置流量加權(quán)平均值為414.25 L/s，效率加權(quán)平均值為71.385%，臨界汽蝕余量加權(quán)平均值為8.435 m，滿足此次泵站設(shè)計要求，同時也是一種綜合性能較優(yōu)的泵裝置，值得推廣應(yīng)用。

(3)在傳統(tǒng)軸流泵葉輪選型辦法的基礎(chǔ)上，通過加權(quán)平均選型的方法進(jìn)行軸流泵裝置葉輪的選型，可以在保證軸流泵裝置設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，更有效發(fā)揮泵站高效、安全和穩(wěn)定運(yùn)行的作用，保證泵裝置在長時效的范圍內(nèi)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

(4)加權(quán)平均選型辦法可以從多個方面考慮葉輪的綜合性能，補(bǔ)充了傳統(tǒng)選型辦法僅考慮單個參數(shù)和單個工況點的不足，是一種新穎的、符合泵站實際運(yùn)行的綜合性辦法。

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Model Test Analysis of Impeller Selection in Large Vertical Axial Flow Pumping System

XIE Chuanliu TANG Fangping LIU Chao YANG Fan SHI Lijian DUAN Xiaohui

(SchoolofHydraulicEnergyandPowerEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225100,China)

The selection of impeller of axial flow pump has a direct impact on the flow, head, and efficiency of the pump device; whether the impeller matches the actual working conditions of the axial flow pump device is the most important part as far as the design and energy saving are concerned. The improper selection could result in deviation of operating conditions of pump, the reduction of service efficiency, and the increase of unit vibration; consequently further influenced the efficiency, safety and stable operation of the pump station. Thus it is of great significance to choose a proper type of impeller for the operation of axial flow pump. Based on the vertical axial flow pump model test, the method of selection of pump impeller was analyzed; on the basis of the traditional method, the method with reference to the weighted average flow rate, weighted average efficiency and weighted average NPSH of the pump station was added. Finally, test program 3 was chosen: the blade placement angle was 6°, the flow rate was 398.5 L/s, the head was 6.07 m, the efficiency was 75.5%, the NPSH was 7.4 m, the performance was the optimal at design points, the high efficiency area was wide, the weighted average flow rate was 414.25 L/s, the weighted efficiency was 71.385%, the weighted average NPSH was 8.435 m, and the overall performance was the best. The chosen program 3, given the guaranteed design parameters of the pump device, can give full play to the pump more effectively and generate greater economic and social benefits, thus providing reference for future similar projects.

vertical axial flow pump; impeller; pumping station; selection; model test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.012

2016-10-15

2017-02-12

國家自然科學(xué)基金項目(51376155、51609210)、中國博士后科學(xué)基金項目(2016M591932)、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(PAPD)和江蘇省科研創(chuàng)新計劃項目(KYZZ16_0492)

謝傳流(1988—)，男，博士生，主要從事雙向軸流泵葉輪優(yōu)化設(shè)計研究，E-mail: m18352764807@163.com

湯方平(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事流體機(jī)械設(shè)計、復(fù)雜工程系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計等研究，E-mail: tangfp@yzu.edu.cn

TH311

A

1000-1298(2017)06-0094-06