黃金壩泵站平面S形貫流泵裝置物理模型試驗(yàn)分析

張 松，錢 軍，高 慧，楊 帆

(1.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007；2.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 概 述

黃金壩泵站是揚(yáng)州市“清水活水”工程的源頭，承擔(dān)為瘦西湖、唐子城及西部水系提供活水水源，提升城區(qū)水環(huán)境質(zhì)量和民生環(huán)境。黃金壩泵站引水設(shè)計(jì)流量18 m3/s，排澇設(shè)計(jì)流量3 m3/s，共4臺(tái)機(jī)組，3臺(tái)單向運(yùn)行，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為4.5 m3/s；1臺(tái)雙向運(yùn)行，正向引水設(shè)計(jì)流量為4.5 m3/s，排澇設(shè)計(jì)流量為3 m3/s。黃金壩泵站設(shè)計(jì)引水凈揚(yáng)程為0.65 m，排澇設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為1.22 m，為超低揚(yáng)程泵站，宜采用裝置效率相對(duì)較高且開挖深度小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于管理的貫流泵裝置形式。通過多方案比選，確定采用平面S形軸伸貫流泵裝置形式[1]。

現(xiàn)有的平面S形軸伸貫流泵裝置效率普遍較低，在相同水力模型時(shí)，S形軸伸貫流泵裝置因在導(dǎo)葉體出口處連接有一段S形彎管，其S形彎管和出水流道的水力損失及速度環(huán)量的回收能力是影響S形軸伸貫流泵裝置整體性能的主要因素[2-5]。以黃金壩泵站結(jié)構(gòu)尺寸為優(yōu)化基礎(chǔ)，以平面S形軸伸貫流泵裝置的S形彎管和流道為突破口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)了高效新型S形彎管并應(yīng)用于S形軸伸貫流泵裝置，高效S形彎管以變曲率橢圓取代圓形斷面，控制二次流，減小出水?dāng)U散角及水力損失，提高管路效率。根據(jù)泵站水位及特征揚(yáng)程，選擇ZM25A水力模型。模型試驗(yàn)共測(cè)試了泵裝置能量性能、汽蝕性能和飛逸特性。

1 模型泵裝置試驗(yàn)

1.1 泵裝置模型設(shè)計(jì)

以最小阻力損失為目標(biāo)，對(duì)S形彎管的漸變斷面的過渡形式及三維形體進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，S形彎管的設(shè)計(jì)改變了由圓形面到圓形面的等半徑傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，采用了由橢圓面漸擴(kuò)至橢圓面的新設(shè)計(jì)思路，即用變橢圓系數(shù)的橢圓斷面取代傳統(tǒng)等半徑圓形斷面，以此增強(qiáng)S形彎管對(duì)導(dǎo)葉體出口水流剩余環(huán)量的回收能力，便于導(dǎo)葉體出口水流的擴(kuò)散以及剩余環(huán)量的回收，降低S形彎管的水力損失。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得的高效S形彎管如圖1所示。

圖1 高效S形彎管Fig.1 Efficient S-shaped elbow

根據(jù)黃金壩泵站水位設(shè)計(jì)特征揚(yáng)程，單向運(yùn)行的3臺(tái)平面S形軸伸貫流泵裝置優(yōu)選ZM25A水力模型，水力模型葉輪名義直徑Dm=300 mm，原型泵葉輪直徑DP=1 350 mm，幾何比尺λ=DP/Dm=4.5，進(jìn)出水流道采用鋼板焊接制作加工，葉輪為銅加工制作，導(dǎo)葉片采用薄鋼板制作表面涂環(huán)氧樹脂，模型泵裝置如圖2所示。模型試驗(yàn)準(zhǔn)則為歐拉相似準(zhǔn)則，即要求原型與模型nD值相等，原型泵轉(zhuǎn)速np=227 r/min，模型泵轉(zhuǎn)速nm=1 022 r/min。

圖2 平面S形貫流泵裝置物理模型Fig.2 Physical model of S-shaped shaft extension pumping system

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

黃金壩泵裝置物理模型試驗(yàn)在江蘇省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該試驗(yàn)臺(tái)為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，總長(zhǎng)度為60.0 m，管道直徑為0.5 m，僅在安裝電磁流量計(jì)的前后一定范圍的直管段為直徑0.4 m的管道，葉輪室設(shè)置有觀察窗，便于觀測(cè)葉片處的水流形態(tài)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)水體積為50 m3。高精度試驗(yàn)臺(tái)的綜合不確定度為±0.39%，于2015年通過國(guó)家計(jì)量復(fù)檢。

試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)的流量測(cè)試范圍為：0.1～0.5 m3/s，揚(yáng)程測(cè)試范圍為-6.0～21.0 m，轉(zhuǎn)矩測(cè)試范圍為0～500 N·m，轉(zhuǎn)速測(cè)試范圍為0～2 000 r/min。測(cè)試的主要設(shè)備有：差壓變送器EJA110A，電磁流量計(jì)E-mag型，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器ZJ和絕對(duì)壓力變送器EJA310。

1-進(jìn)水箱；2-受試泵裝置及驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3-壓力出水箱；4-分叉水箱；5-稱重傳感器； 6-原位標(biāo)定裝置；7-調(diào)節(jié)閘閥；8-穩(wěn)壓整流筒；9-電磁流量計(jì)；10-控制閘閥；11-輔助泵機(jī)組圖3 高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.3 High precision hydraulic machinery test stand

1.3 測(cè)試方法

各項(xiàng)性能測(cè)試依據(jù)文獻(xiàn)[6]的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。裝置揚(yáng)程等于進(jìn)、出口測(cè)壓斷面的總能頭差，總能頭差等于兩斷面的靜壓差與動(dòng)壓差的代數(shù)和，計(jì)算式如下：

(1)

由于進(jìn)、出口測(cè)壓斷面過水?dāng)嗝娣e相等，因此，動(dòng)壓差近似為零。

泵裝置流量DN400直接由電磁流量計(jì)測(cè)得。模型泵裝置機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩主要由軸承與軸封摩擦損失等造成，在機(jī)組無水運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)出。每次調(diào)整葉片安放角后先測(cè)試空載轉(zhuǎn)矩，再充水進(jìn)行性能試驗(yàn)。泵軸的轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩，由安裝于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和水泵軸之間的ZJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器直接測(cè)得。模型泵裝置效率為扣除機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩后的數(shù)值，由下式計(jì)算：

(2)

式中：η為模型泵段效率，%；Q為模型泵段流量，m3/s；H為模型泵段揚(yáng)程，mH2O；M為模型泵段輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；M′為模型泵段機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩，N·m；n為模型泵段試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，r/min。

汽蝕試驗(yàn)保持流量不變，通過封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)抽真空，逐步減小系統(tǒng)壓力的方法，使泵內(nèi)發(fā)生汽蝕。不同系統(tǒng)壓力下的汽蝕余量值由下式計(jì)算：

(3)

式中：NPSHav為汽蝕余量，m；Pav為裝置進(jìn)口測(cè)壓點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng)，由絕對(duì)壓力變送器測(cè)得，Pa；Pv為試驗(yàn)水溫下水的飽和蒸汽壓強(qiáng)，Pa；h為絕對(duì)壓力變送器高于泵葉片旋轉(zhuǎn)中心線與葉輪外殼交點(diǎn)的高度值，m。

測(cè)試過程中，流量保持常數(shù)，效率下降1%確定為臨界汽蝕余量NPSHre。

飛逸試驗(yàn)水頭由輔助泵提供，脫開扭矩儀與電機(jī)之間的聯(lián)軸器，調(diào)整輔助泵的轉(zhuǎn)速，測(cè)得不同水頭下模型泵裝置反轉(zhuǎn)且輸出力矩為零時(shí)的轉(zhuǎn)速和流量。飛逸特性可用單位飛逸轉(zhuǎn)速和單位飛逸流量表示，按下式計(jì)算：

(4)

計(jì)算可得相應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速和單位流量。取出當(dāng)單位飛逸轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定時(shí)的數(shù)值作為單位飛逸轉(zhuǎn)速n′，相應(yīng)的單位流量作為單位飛逸流量Q′。原型泵的實(shí)際飛逸轉(zhuǎn)速可由下式確定：

(5)

式中：nR,p為原型泵的實(shí)際飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；DP為原型泵的葉輪名義直徑，m；HP為原型泵規(guī)定點(diǎn)的揚(yáng)程，m。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 能量性能試驗(yàn)

平面S形軸伸貫流泵裝置模型試驗(yàn)共測(cè)試了5個(gè)葉片安放角(-6°、-4°、-2°、0°、+2°)的能量性能。各角度時(shí)泵裝置的最優(yōu)工況參數(shù)如表1所示，模型泵裝置的綜合特性曲線如圖4所示，采用等效率換算的原型泵裝置的綜合特性曲線如圖5所示。

泵裝置模型能量性能試驗(yàn)結(jié)果可知：在測(cè)試的葉片安放角范圍內(nèi)，泵裝置的最高效率達(dá)78.35%，此時(shí)泵裝置的流量為244.21 L/s，裝置揚(yáng)程為2.003 m，葉片安放角為+2°；在揚(yáng)程1.5～2.0 m范圍內(nèi)，泵裝置的效率均在73%以上，泵裝置高效區(qū)運(yùn)行的流量范圍較大，高效區(qū)覆蓋范圍較寬。在葉片安放角度-6°、-4°、-2°、0°和+2°時(shí)平面S形軸伸貫流泵裝置的最高效率分別為76.72%、77.56%、77.10%、77.72%和78.35%。

表1 平面S形軸伸貫流泵裝置最優(yōu)效率點(diǎn)Tab.1 Best efficiency point of S-shaped shaft extension pumping system

圖4 黃金壩泵站的裝置模型綜合特性曲線Fig.4 Synthetic characteristic curve of Huangjinba pumping system

圖5 黃金壩泵站原型綜合特性曲線Fig.5 Prototype synthetic characteristic curve of Huangjinba pumping system

2.2 空化性能試驗(yàn)

模型泵裝置的空化性能試驗(yàn)采用定流量的能量法，依據(jù)文獻(xiàn)[6]的規(guī)定：取水泵效率較其性能點(diǎn)低1%的汽蝕余量作為臨界汽蝕余量(以葉輪中心為基準(zhǔn))。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同葉片安放角時(shí)泵裝置的必需汽蝕余量曲線Fig.6 Required NPSH curves of pumping system under different vane angles

試驗(yàn)結(jié)果表明，5個(gè)葉片安放角度時(shí)泵裝置的必需汽蝕余量均小于7.0 m；在相同葉片安放時(shí)，泵裝置的必需汽蝕余量均隨著流量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

2.3 飛逸特性試驗(yàn)

為確定模型泵的飛逸轉(zhuǎn)速，采用通過閘閥切換使得試驗(yàn)臺(tái)中的輔助水泵反向供水。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中6.3節(jié)飛逸特性試驗(yàn)方法，主泵在額定轉(zhuǎn)速下反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)輔助泵轉(zhuǎn)速保持至某一穩(wěn)定工作水頭，當(dāng)輸出力矩為零時(shí)測(cè)得水泵在該角度下的單位飛逸轉(zhuǎn)速。因單位飛逸轉(zhuǎn)速對(duì)同一系列水泵是同一數(shù)值，從而根據(jù)模型試驗(yàn)得到的單位飛逸轉(zhuǎn)速可以計(jì)算獲得不同揚(yáng)程時(shí)原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速。原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速nR,p可以根據(jù)公式計(jì)算：

(6)

經(jīng)測(cè)試，模型泵的飛逸特性曲線如圖7所示，經(jīng)換算后的原型泵的飛逸特性曲線如圖8所示。經(jīng)換算后獲得的原型泵飛逸轉(zhuǎn)速，是確定水泵零部件強(qiáng)度的重要依據(jù)，因模型試驗(yàn)測(cè)試飛逸轉(zhuǎn)速和工程實(shí)際中原型泵發(fā)生飛逸情況存在差異，且實(shí)際工程嚴(yán)禁原型泵出現(xiàn)飛逸工況，故當(dāng)前原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速均按模型試驗(yàn)所得模型泵的飛逸轉(zhuǎn)速進(jìn)行換算。

圖7 模型泵的飛逸特性曲線Fig.7 Runaway characteristic curves of model pumping system

圖8 原型泵的飛逸特性曲線(換算)Fig.8 Runaway characteristic curves of prototype pumping system(Conversion result)

在相同葉片安放角時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速隨揚(yáng)程的增大而增大，但達(dá)到某一揚(yáng)程時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速趨于定值；在葉片安放角-4°，揚(yáng)程0～1.4 m時(shí)，模型泵裝置的飛逸轉(zhuǎn)速均大于其余各葉片方角度時(shí)泵裝置的飛逸轉(zhuǎn)速。

3 結(jié) 語

(1)高效平面S形軸伸貫流泵裝置的最高效率達(dá)78.35%，此時(shí)泵裝置的流量為244.21 L/s，裝置揚(yáng)程為2.003 m，葉片安放角為+2°。

(2)在揚(yáng)程1.5～2.0 m范圍內(nèi)，泵裝置的效率均在73%以上，泵裝置高效區(qū)運(yùn)行的流量范圍較大，高效區(qū)覆蓋范圍較寬。馬鞍區(qū)峰點(diǎn)揚(yáng)程大于3.0 m，滿足黃金壩泵站最高運(yùn)行水位的要求。臨界汽蝕余量較低，滿足安裝葉輪淹沒深度要求。

該工程已于2015年投入運(yùn)行，2015年開機(jī)至2017年12月31日累計(jì)運(yùn)行20 108臺(tái)時(shí)。經(jīng)泵站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，原型平面S形軸伸泵裝置的能量性能與物理模型試驗(yàn)的結(jié)果基本一致，泵站運(yùn)行平穩(wěn)，效率高，振動(dòng)噪聲小。