15度斜式軸流泵裝置水動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)研究

謝麗華，王福軍，何成連，蘇勝利，張樹存，汪寶羅

（1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；3.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；4.嘉興市杭嘉湖南排工程管理局，浙江 嘉興 314001）

1 研究背景

為滿足防洪、排澇和灌溉等要求，從1980年代末期開始，我國(guó)陸續(xù)在一些設(shè)計(jì)揚(yáng)程為2～4 m 的低揚(yáng)程泵站選用斜式軸流泵，如內(nèi)蒙紅圪卜泵站選用了45°斜式軸流泵、江蘇新夏港泵站選用了30°斜式軸流泵，上海太浦河泵站選用了15°斜式軸流泵［1］。低揚(yáng)程泵站流量大、揚(yáng)程低，進(jìn)出水流道水力損失對(duì)裝置效率影響大，斜式軸流泵進(jìn)水流道無需立式軸流泵的90°轉(zhuǎn)彎收縮，因此具有較高的水力效率；斜式軸流泵也無需貫流泵那樣將電機(jī)安裝在進(jìn)出水流道之間，因此具有較好的通風(fēng)、采光、防潮條件［2］。

相比于大傾角斜式軸流泵，15°斜式軸流泵進(jìn)水流道的轉(zhuǎn)彎半徑更小，泵段水力性能更好，泵房開挖深度更小，可較好地結(jié)合貫流泵與立式軸流泵的優(yōu)點(diǎn)，在低揚(yáng)程大流量場(chǎng)合展示出了比較明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，除上海太浦河泵站外，湖南黃蓋湖泵站、浙江鹽官泵站和廣東文頭嶺泵站等一批泵站均選用了15°斜式軸流泵［3］，其中，裝機(jī)規(guī)模最大的泵站是浙江鹽官泵站。該泵站設(shè)計(jì)流量200 m3/s（200×103L/s）、設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程2.43 m，安裝了4 臺(tái)3800ZXQ50-2.8 型15°斜式軸流泵，水泵轉(zhuǎn)速90 r/min，葉輪直徑3800 mm，單泵流量50 m3/s（50×103L/s），功率2000 kW［4］。泵站自1998年投入運(yùn)行以來，展現(xiàn)出了優(yōu)良水力性能，較好發(fā)揮了防洪排澇功能。然而，由于泵軸傾斜，出水流道前端呈S 形彎曲，流道內(nèi)存在二次流和偏流［5］，導(dǎo)致某些工況下壓力脈動(dòng)大、振動(dòng)突出等問題。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)斜式軸流泵水力性能研究成果主要集中在水力模型試驗(yàn)和內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算兩個(gè)方面［5-7］。通過水力模型試驗(yàn)研究，施衛(wèi)東［4］、楊帆［5］等均認(rèn)為斜式軸流泵相比于普通軸流泵進(jìn)水流道效率較高，而出水流道水流狀態(tài)較差，需要對(duì)出水流道進(jìn)行水力優(yōu)化。仇寶云等［8-9］通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，無論是普通立式軸流泵，還是斜式軸流泵，出水流道均存在比較明顯的回流，回流導(dǎo)致流道左面兩個(gè)流量不均。Zhang 等［10］認(rèn)為，斜式軸流泵內(nèi)部的空化問題呈現(xiàn)葉輪上、下不均勻現(xiàn)象，需要在葉輪設(shè)計(jì)和運(yùn)行中加以控制。現(xiàn)有研究成果為斜式軸流泵的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供了參考，但針對(duì)特定傾角的斜式軸流泵的定量化研究成果還不多，對(duì)斜式軸流泵內(nèi)部流態(tài)及外部瞬態(tài)特性的研究還不多見。

為了使鹽官泵站更加充分地發(fā)揮作用，項(xiàng)目組近期對(duì)水泵機(jī)組和進(jìn)出水流道進(jìn)行了優(yōu)化。在優(yōu)化過程中重點(diǎn)以控制二次流、減輕出水流道偏流現(xiàn)象為重點(diǎn)，對(duì)進(jìn)水流道和出水流道型線進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將南水北調(diào)同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)得到的優(yōu)秀水力模型TL04-ZL-20 作為泵段模型，研制了新的15°斜式軸流泵裝置，對(duì)泵內(nèi)部流態(tài)及水動(dòng)力特性進(jìn)行了比較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了不同葉片角度下的能量、空化、壓力脈動(dòng)和飛逸等特性，為同類型泵站的建設(shè)和運(yùn)行提供了依據(jù)。

2 泵裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置

研究對(duì)象為浙江鹽官泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)的15°斜式軸流泵裝置模型，該裝置模型如圖1所示。模型泵型號(hào)為TJ04-ZL-20，葉輪直徑300 mm，葉片數(shù)4，導(dǎo)葉葉片數(shù)7，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速1250 r/min，換算轉(zhuǎn)速1450 r/min，旋向?yàn)槟鏁r(shí)針（從泵進(jìn)口方向看）。進(jìn)水流道長(zhǎng)1414 mm，進(jìn)口為730 mm×475 mm 矩形斷面，出口為直徑330 mm 的圓斷面。出水流道長(zhǎng)由彎管段和平直段組成，長(zhǎng)1536 mm，平直段內(nèi)有隔墩，出水流道進(jìn)口為直徑315 mm 的圓斷面，出口為780 mm×345 mm 矩形斷面。

圖1 15°斜式軸流泵裝置（單位：mm）

實(shí)驗(yàn)在中水北方公司的水泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，效率綜合不確定度為±0.3%。在進(jìn)水流道左側(cè)和右側(cè)、出水流道左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)置了觀察窗，用于觀察流態(tài)；在透明的觀察窗玻璃上粘貼了紅色絲線，用于觀察瞬態(tài)流動(dòng)方向及流動(dòng)誘導(dǎo)的旋渦情況；在葉輪室側(cè)面開設(shè)了空化狀態(tài)觀察窗，通過閃頻儀觀察葉片表面的空化泡分布；在葉輪進(jìn)口、出口、導(dǎo)葉出口和出水流道出口設(shè)置了壓力脈動(dòng)傳感器，用于監(jiān)測(cè)壓力脈動(dòng)演變規(guī)律。

3 能量特性與空化特性

3.1 能量特性在6 個(gè)不同葉片角度（-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°）進(jìn)行了泵裝置能量特性測(cè)試，泵裝置能量性能曲線見圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泵裝置最高效率在葉片角度為-8°、-6°、-4°、-2°、0°和+2°時(shí)分別為75.72%、76.17%、75.97%、75.79%、75.53%和75.14%，泵裝置整體最高效率出現(xiàn)在葉片角度-6°，達(dá)76.17%，對(duì)應(yīng)流量和裝置揚(yáng)程分別為310.59 L/s和6.356 m。

圖2 泵裝置特性曲線

根據(jù)文獻(xiàn)［6］，采用相同泵段模型，在相同試驗(yàn)臺(tái)上得到的泵段最優(yōu)工況下能量特性參數(shù)如表1所示，泵段最優(yōu)效率出現(xiàn)在葉片角度+4°，達(dá)86.05%，對(duì)應(yīng)流量和泵段揚(yáng)程分別為392.64 L/s 和7.130 m。對(duì)比泵裝置和泵段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，泵裝置最優(yōu)效率比泵段最優(yōu)效率減小9.88%，且從葉片角度+4°偏向了-6°，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)流量減小了83.05 L/s， 相當(dāng)于減小20.89%。這一變化說明斜式軸流泵裝置對(duì)泵段的影響大于常規(guī)立式軸流泵［7］，需要在斜式軸流泵站水力設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面給予更多關(guān)注。

3.2 空化特性葉片角度為-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°時(shí)的泵裝置臨界空化余量曲線如圖3所示，這里的臨界空化余量是指效率下降1%所對(duì)應(yīng)的裝置空化余量。從圖3可以看出，隨著葉片角度減小，最優(yōu)空化流量向小流量偏移，最優(yōu)臨界空化余量下降，在-8°時(shí)最優(yōu)臨界空化余量為5.32 m。在裝置最優(yōu)工況（對(duì)應(yīng)于葉片角度-6°時(shí)的流量310.59 L/s）臨界空化余量為5.83 m，是該葉片角度下的最低臨界空化余量。這說明，在最高效率工況點(diǎn)，泵裝置的空化狀態(tài)也接近于最優(yōu)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著泵進(jìn)口能量的降低，葉輪葉片表面開始出現(xiàn)可以觀察到的空化泡。在所有葉片角度下，當(dāng)流量低于最優(yōu)空化流量時(shí)，空泡首先出現(xiàn)在葉片背面靠近進(jìn)口的區(qū)域，如圖4（a）所示。當(dāng)裝置空化余量低到使泵裝置效率下降1%時(shí)，即圖3中臨界空化余量值對(duì)應(yīng)的空化狀態(tài)，葉片背面的空化區(qū)將顯著增大，如圖4（b）所示。這說明，對(duì)于斜式軸流泵而言，采用效率下降1%作為確定臨界空化余量的作法，是有待商榷的。Jones［11］也給出了類似結(jié)論。

表1 泵段最優(yōu)工況點(diǎn)參數(shù)［6］

圖4 葉片角度+2°時(shí)的空泡分布

對(duì)于較大負(fù)葉片角度情況，如-8°時(shí)，在小流量工況下的空泡分布特性與較大正葉片角度情況類似，但在大流量工況下，如大于最優(yōu)空化流量的工況，葉片表面的空泡區(qū)域首先出現(xiàn)在葉片工作面靠近進(jìn)口的區(qū)域，如圖5（a）所示。當(dāng)裝置空化余量進(jìn)一步下降后，該區(qū)域的空泡區(qū)加大，同時(shí)在葉片背面靠近葉片中部甚至尾部區(qū)域出現(xiàn)空泡區(qū)，如圖5（b）所示。這說明，葉片角度不同，所出現(xiàn)的空泡位置及區(qū)域大小也不同。特別是在較大負(fù)葉片角度下，葉片工作面的空泡區(qū)增長(zhǎng)迅速。這說明圖3中葉片角度-8°時(shí)臨界空化余量曲線在大流量區(qū)快速增長(zhǎng)的原因是空泡區(qū)面積增長(zhǎng)較快。這一結(jié)果表明，葉輪在較大負(fù)葉片角度下工作時(shí)，易出現(xiàn)空化等不穩(wěn)定現(xiàn)象，應(yīng)盡量避免斜式軸流泵長(zhǎng)期在較大負(fù)葉片角度下工作。

圖5 葉片角度-8°時(shí)的空泡分布

在某些特定工況下，特別是不存在葉片表面空化的較高裝置空化余量條件下，在輪緣處還可以觀察到間隙空化的現(xiàn)象，間隙泄漏渦呈條帶狀分布，始于葉片進(jìn)口邊，向葉片尾部延展，如圖6所示。當(dāng)裝置空化余量減小使葉片進(jìn)口出現(xiàn)翼型空化時(shí)，翼型空化對(duì)間隙空化產(chǎn)生擾動(dòng)作用而使間隙空化減弱甚至消失，而翼型表面的空化區(qū)域開始變大。

圖6 間隙空化現(xiàn)象

4 瞬態(tài)動(dòng)力特性

4.1 飛逸特性進(jìn)行了6 個(gè)葉片角度下的飛逸轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)，其單位飛逸轉(zhuǎn)速見表2?？梢钥闯?，隨著葉片角度的減小，泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速增大，在葉片角度為-8°時(shí)產(chǎn)生最大單位飛逸轉(zhuǎn)速n1R=307.12 r/min。根據(jù)單位飛逸轉(zhuǎn)速的計(jì)算式，可求得對(duì)應(yīng)的飛逸轉(zhuǎn)速為nR=2507 r/min，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1450 r/min 的1.73 倍。將該參數(shù)換算到原型泵站后，飛逸轉(zhuǎn)速也是比較大的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)規(guī)范［12］的允許值，需要在泵站設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)飛逸轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

4.2 壓力脈動(dòng)從泵裝置進(jìn)口到出口共布置了7 個(gè)壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)，其分布如圖7所示，各測(cè)點(diǎn)位置說明見表3。在葉片角度-2°、流量345 L/s、置信度97%條件下壓力脈動(dòng)峰峰值如圖8所示，主要測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域特性和頻域特性如圖9所示，這里的壓力脈動(dòng)幅值以壓力系數(shù)Cp形式［13］表示，且定義為：

表2 單位飛逸轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果

式中：p為測(cè)點(diǎn)壓力，Pa；pinlet為水泵進(jìn)口平均壓力，Pa；Vinlet為水泵進(jìn)口平均速度，m/s；ρ為水的密度，kg/m3。

圖7 泵裝置壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

表3 泵裝置壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

圖8 各測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值

從圖8和圖9可以看出，壓力脈動(dòng)峰峰值在葉輪進(jìn)口前相對(duì)較小，在葉輪出口（無葉區(qū)）、導(dǎo)葉出口、出水彎管和出水流道內(nèi)都較大，且處于同一水平上。與常規(guī)立式軸流泵［14-15］相比，斜式軸流泵壓力脈動(dòng)在葉輪進(jìn)口與葉輪出口區(qū)域的規(guī)律基本相同，但在導(dǎo)葉出口、出水彎管和出水流道內(nèi)并未明顯降低，且在出水流道左右兩側(cè)出現(xiàn)了高低不同的現(xiàn)象。這是斜式軸流泵壓力脈動(dòng)的特征之一。

分析圖9所示壓力脈動(dòng)的頻率特性，注意到壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)為降速實(shí)驗(yàn)（1250 r/min）的結(jié)果，軸頻fR=20.8 Hz，葉頻fB=83.2 Hz，可以看出，壓力脈動(dòng)主頻在葉輪進(jìn)口前以軸頻fR為主，在葉輪與導(dǎo)葉之間的無葉區(qū)以葉頻fB為主。在導(dǎo)葉出口處，主頻為100 Hz。隨著水流向下游流動(dòng)，壓力脈動(dòng)主頻則以低于軸頻的低頻（0.59fR～0.70fR）為主。這說明，在導(dǎo)葉出口出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)速度比較高的二次流，而這種二次流在進(jìn)入出水彎管之后被削弱了。

圖9 主要測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域特性

4.3 偏流特性在實(shí)驗(yàn)中，在出水流道出口的P6 和P7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近還分別設(shè)置了流態(tài)觀察窗，在透明玻璃上粘貼了紅絲線，如圖10所示?？梢钥吹?，出水流道右側(cè)的絲線向上、向后擺動(dòng)，左側(cè)的紅絲線向下、向前后擺動(dòng)，這說明出水流道左側(cè)和右側(cè)都存在一定回流。順流動(dòng)方向看，左右側(cè)回流均是逆時(shí)針的，即與泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。從左側(cè)絲線向前擺動(dòng)、右側(cè)絲線向后擺動(dòng)趨勢(shì)分析，左側(cè)斷面平均流速應(yīng)該大于右側(cè)，這說明出水流道內(nèi)的隔墩兩側(cè)流量并不相同，左側(cè)過流量大于右側(cè)，我們稱這種現(xiàn)象為“偏流特性”。偏流現(xiàn)象也存在于配置了雙孔出水流道的常規(guī)立式軸流泵站［8］，偏流比可達(dá)1.27，使軸流泵效率降低1.6%左右。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，斜式軸流泵的偏流比更大。

圖10 出水流道右側(cè)的觀察窗

圖11 斜式軸流泵出水彎管中的流線偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象

采用文獻(xiàn)［16］中給出的斜式軸流泵CFD 設(shè)置模型，在保證網(wǎng)格獨(dú)立性的前提下，對(duì)斜式軸流泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，如果斜式軸流泵的導(dǎo)葉下游配置的不是S 形出水彎管而是平直擴(kuò)散管，雖然導(dǎo)葉后面存在剩余環(huán)量作用，但流線整體上仍然是與泵軸平行的螺旋線，總體上均勻地向著出口流動(dòng)，而對(duì)于配備了S 形出水彎管的斜式軸流泵，水流在出水彎管中經(jīng)歷了S 形的兩段流線彎曲過程，在剩余環(huán)量和二次彎曲的共同作用下，流線從導(dǎo)葉出口就賂左側(cè)偏轉(zhuǎn)，如圖11所示。從圖中可以看出，左側(cè)流線的速度明顯大于右側(cè)，因此，形成了左側(cè)大于右側(cè)的偏流特性，計(jì)算得到的偏流比達(dá)到2.3。

5 結(jié)論

對(duì)15°斜式軸流泵裝置的能量特性、空化特性和壓力脈動(dòng)特性等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得以下主要結(jié)論：（1）與標(biāo)準(zhǔn)泵段相比，斜式軸流泵裝置的最優(yōu)工況點(diǎn)向著負(fù)葉片角度和小流量區(qū)偏移，對(duì)于本文研究對(duì)象，泵裝置最優(yōu)工況從葉片角度+4°偏向了-6°，最優(yōu)流量減小20.89%，最優(yōu)效率減小9.88%。（2）當(dāng)裝置空化余量低到使泵裝置效率下降1%時(shí)，葉片背面出現(xiàn)占據(jù)近1/3 葉道區(qū)域的空化區(qū)。對(duì)于較大負(fù)葉片角度的大流量工況，空泡區(qū)首先出現(xiàn)在葉片工作面靠近進(jìn)口的區(qū)域，當(dāng)裝置空化余量進(jìn)一步下降后，同時(shí)在葉片背面靠近葉片中部甚至尾部區(qū)域出現(xiàn)空泡區(qū)。（3）斜式軸流泵的飛逸轉(zhuǎn)速較常規(guī)立式軸流泵為大，在葉片角度為-8°時(shí)產(chǎn)生最大飛逸轉(zhuǎn)速，達(dá)額定轉(zhuǎn)速的1.73 倍。（4）斜式軸流泵表現(xiàn)出了與常規(guī)立式軸流泵不同的壓力脈動(dòng)分布規(guī)律。斜式軸流泵壓力脈動(dòng)在導(dǎo)葉出口、出水彎管和出水流道內(nèi)明顯偏高，且在出水流道隔墩兩側(cè)出現(xiàn)了高低不同的現(xiàn)象，頻率以60%～70%軸頻為主。（5）在斜式軸流泵裝置的出水流道內(nèi)，從水泵進(jìn)口方向看，當(dāng)葉輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，隔墩左側(cè)流量大于右側(cè)。需要在斜式軸流泵的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面對(duì)此加以控制。