慎江泵站特低揚程大流量豎井貫流泵裝置外特性試驗研究

陸偉剛，周秉南，夏 輝，徐 磊，徐 波*

（1.揚州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州225009；2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州225127）

0 引 言

【研究意義】豎井貫流泵裝置是一種新的水泵裝置形式，其發(fā)電機組裝置布置在開敞的豎井內(nèi)，防潮、通風(fēng)條件好，具有運行維護(hù)方便、機組結(jié)構(gòu)簡易、造價較低的優(yōu)點，一般應(yīng)用于低揚程大流量泵站[1-2]。隨著豎井貫流泵裝置的發(fā)展，在特低揚程大流量泵站中也開始采用豎井貫流泵裝置。慎江泵站屬于特低揚程大流量泵站，采用前置豎井貫流泵裝置，肩負(fù)著區(qū)域防洪排澇的重要任務(wù)，工程安全極其重要。為確保泵站建成后在運行范圍內(nèi)能夠安全、穩(wěn)定以及高效運行，通過模型試驗研究來檢驗前置豎井貫流泵裝置的外特性并提出改進(jìn)措施?！狙芯窟M(jìn)展】近年來，許多學(xué)者對豎井貫流泵裝置的內(nèi)外特性展開了研究。劉君等[1]利用數(shù)值模擬的方法對前、后置豎井貫流泵裝置的內(nèi)特性進(jìn)行對比分析，認(rèn)為前置豎井貫流泵裝置比后置豎井貫流泵裝置具有更好的內(nèi)特性。顏紅勤[2]介紹了低揚程泵站豎井貫流泵裝置主要參數(shù)的確定方法，并利用這些參數(shù)對前、后置豎井貫流泵裝置的外特性進(jìn)行對比分析。謝榮盛等[3]利用數(shù)值模擬的方法比較了豎井貫流泵和軸伸貫流泵的水力特性。陳佳琦等[4]提出了一種豎井貫流泵裝置進(jìn)出水流道規(guī)則化的設(shè)計方法，并展開了數(shù)值模擬和模型試驗研究。徐磊等[5-6]對邳州泵站豎井式貫流泵裝置的內(nèi)外特性進(jìn)行研究，得出其外特性性能優(yōu)異的主要原因在于其具有優(yōu)異的內(nèi)特性。也有不少學(xué)者[7-12]對豎井貫流泵裝置的進(jìn)出水流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并通過模型試驗來檢驗其外特性，驗證了在低揚程大流量泵站中，豎井貫流泵裝置具有優(yōu)秀的水力特性。而關(guān)于豎井貫流泵裝置在特低揚程大流量泵站中的相關(guān)研究還是較少。朱紅耕等[13-14]研發(fā)了一種新型豎井貫流泵裝置，通過數(shù)值模擬得出該豎井貫流泵裝置具有較高的水泵裝置效率，適用于低揚程泵站尤其是超低揚程的城市防洪泵站。徐磊等[15-17]采用三維湍流數(shù)值計算的方法對不同類型進(jìn)出水流道的豎井貫流泵裝置進(jìn)行了水力設(shè)計方案比較，認(rèn)為前置豎井貫流泵裝置適宜在特低揚程泵站推廣應(yīng)用。陸偉剛等[18]對豎井貫流泵裝置進(jìn)行模型試驗研究，認(rèn)為對于特低揚程泵站，豎井貫流式水泵能量特性較好。【切入點】前人的研究更多是通過數(shù)值模擬對豎井貫流泵裝置的水力性能進(jìn)行預(yù)測，對于豎井貫流泵裝置的真實運行情況研究較少。本文以模型試驗研究為切入點，研究豎井貫流泵裝置在特低揚程泵站中的真實運行情況。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文以慎江泵站為例，對前置豎井貫流泵裝置在特低揚程大流量泵站中的外特性進(jìn)行模型試驗研究，并對外特性試驗結(jié)果進(jìn)行討論與對比分析，最后提出優(yōu)化方案并驗證其可行性。研究成果對豎井貫流泵裝置在特低揚程大流量泵站中的應(yīng)用具有重要的參考價值和借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 工程概況

慎江泵站位于溫州樂清市，是浙江省樂柳虹平原排澇工程的強排泵站。泵站設(shè)計凈揚程Hst=0.98 m，計及進(jìn)口攔污柵污物水力損失，取裝置設(shè)計揚程Hsy=1.38 m；最高凈揚程Hstmax=2.76 m，計及進(jìn)口攔污損失，取裝置最高揚程Hsymax=2.93 m。泵站裝設(shè)2臺豎井貫流泵，單泵流量為20 m3/s，設(shè)計排澇流量為40 m3/s，水泵葉輪直徑為2.6 m，水泵轉(zhuǎn)速為110 r/min。泵站采用豎井雙側(cè)進(jìn)水、平直管出水流道，順?biāo)飨蚩傞L39.32 m。流道寬7.2 m，中隔墩厚度1.0 m，進(jìn)、出口凈寬6.2 m，快速閘門（帶拍門）斷流。

1.2 模型設(shè)計

慎江泵站原型泵葉輪直徑Dn=2.6 m，模型泵葉輪直徑Dm=0.3 m，模型比Dr=Dn/Dm=2.6/0.3=8.667。原模型過流部件幾何相似，尺寸按同一模型比確定。進(jìn)出水流道以鋼板焊接制作；為滿足糙度相似，鋼制流道內(nèi)壁加涂層。模型裝置動力機與模型泵以傘齒輪傳動（傳動比1∶1），齒輪箱與模型泵之間裝扭矩儀。流道模型見圖1、圖2，水泵裝置模型見圖3。通過多方案比選及前期研究，水泵模型選擇南水北調(diào)同臺測試TJ-07 模型，該模型葉片數(shù)3，導(dǎo)葉數(shù)5，輪轂尺寸dh=98 mm，并采用豎井貫流泵方案。試驗選取原型泵轉(zhuǎn)速nn=110 r/min。按nmDm=nnDn條件，模型裝置試驗轉(zhuǎn)速nm=953.3 r/min。

圖1 流道縱剖面Fig.1 Longitudinal section of runner

圖2 流道平面Fig.2 Flow channel plan

圖3 水泵裝置模型Fig.3 Model drawing of pump installation

1.3 模型試驗系統(tǒng)

慎江泵站泵裝置模型試驗在揚州大學(xué)泵站試驗臺進(jìn)行。泵站試驗臺受試泵進(jìn)出口過流設(shè)施可封閉可開敞，本項為常規(guī)能量特性、汽蝕特性、飛逸特性試驗，根據(jù)任務(wù)要求，試驗采用封閉布置。試驗臺為平面布置式，由水力循環(huán)系統(tǒng)、動力及控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。水力系統(tǒng)包括：80 m3開敞貯水池、25 m3真空（壓力）箱、2 m×2.0 m×4.0 m 移動式鋼箱、25 m3壓力箱、φ500 回水管、60 m3水量調(diào)節(jié)池等；動力設(shè)備除40 kW 動力機外，另有30 kW 貫流輔助泵及真空泵。試驗臺動力機系直流電動機，調(diào)速設(shè)備為270A（英）EUROTHERM DRIVES LIMITED 公司591C直流裝置，配LC60BM-C15F 光電編碼器反饋，轉(zhuǎn)速控制精度0.01%。泵站試驗臺平面圖如圖4 所示。

圖4 泵站試驗臺平面布置圖Fig.4 Pumping station test bed layout

1.4 測試方法

在泵及泵裝置外特性試驗中，揚程、流量、轉(zhuǎn)速、軸功率等測定通過傳感器和數(shù)據(jù)采集卡、處理器及專用軟件形成專用微機測試系統(tǒng)，試驗數(shù)據(jù)自動采樣和處理、顯示、儲存，其中汽蝕余量有圖像顯示功能。泵站試驗臺主要工作參數(shù)：揚程：-1～16 m；流量：0～0.8 m3/s；動力機功率40 kW，轉(zhuǎn)速0～1 600 r/min。慎江泵站模型試驗各參數(shù)測量儀器見表1。

表1 慎江泵站模型試驗各參數(shù)測量儀器Table 1 Various parameter measuring instruments in model test of Shenjiang pump station

除上述若干參數(shù)，水泵軸功率、泵裝置效率、裝置汽蝕余量以及飛逸轉(zhuǎn)速通過下述方法進(jìn)行測量。

1）泵軸功率[19]采用可靠的馬達(dá)天平測功機比測，水泵軸功率（kW）計算式為：

式中：G、G0分別為負(fù)載條件和同轉(zhuǎn)速無水空轉(zhuǎn)條件馬達(dá)天平砝碼質(zhì)量（kgf）；L為馬達(dá)天平臂桿長（m）。

2）模型裝置效率。模型裝置效率[20]按下式計算并由微機系統(tǒng)顯示、記錄。計算式為：

式中：ρ為水體密度（kg/m3）；g 為重力加速度（m/s2）；Q為流量（m3/s）；Hsy為裝置揚程（m）；P為輸入軸功率（W）；P0為空載功率（W）。

3）泵裝置有效汽蝕余量和臨界汽蝕余量。裝置有效汽蝕余量計算式為：

式中：pa為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)大氣壓（Pa）；pv為試驗水溫下的飽和蒸汽壓（Pa）。因pa/(ρg)≈10.33 m，水溫攝氏25 ℃時pv/(ρg)≈0.33 m。

臨界汽蝕余量（凈正吸頭）NPSHc參照《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》（SL140—2006）規(guī)定[21]，取泵效率下降1%時的有效汽蝕余量為臨界汽蝕余量[22]NPSHc。

4）飛逸轉(zhuǎn)速。飛逸轉(zhuǎn)速試驗方法是：拆除扭矩傳感器與動力機聯(lián)軸器的聯(lián)接。開啟輔助泵，形成泵裝置穩(wěn)定反向水頭，水泵倒轉(zhuǎn)；實測倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速即為相應(yīng)水頭的飛逸轉(zhuǎn)速。飛逸特性以單位飛逸轉(zhuǎn)速N0表示，計算式為：

式中：nf為實測飛逸轉(zhuǎn)速。每個葉片角度實測多組數(shù)據(jù)，計算單位飛逸轉(zhuǎn)速平均值。

5）原模型流量、揚程、效率以及飛逸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換。泵站原模型流量、揚程[23-25]計算式為：

式中：r表示原模型比值；n及m分別表示原型和模型。原模型裝置效率采用等效率方法進(jìn)行換算。原模型單位飛逸轉(zhuǎn)速相同，原型飛逸轉(zhuǎn)速[26]計算式為：

1.5 誤差分析

1）流量測定精度。LDG-500 電磁流量計經(jīng)上海工業(yè)自動化儀表研究所檢定，誤差δQ=±0.24%，取檢定誤差作為流量測定相對誤差[27]。

2）揚程測定精度。JC-E110A-EMS4A-92DA 差壓變送器不確定度小于±0.1%。取變送器系統(tǒng)檢定準(zhǔn)確度作為系統(tǒng)誤差，則揚程測定誤差δH=±0.1%。

3）轉(zhuǎn)速測定精度。591C 整流調(diào)速裝置轉(zhuǎn)速穩(wěn)定精度高于±0.01%，轉(zhuǎn)速的微機桌面顯示值雖偶有約±（0.02～0.03）%波動，但實際轉(zhuǎn)速并無變動。取轉(zhuǎn)速測定精度為JN338-200A 扭矩傳感器二次儀表轉(zhuǎn)矩不確定度。δn=±0.1%。

4）扭矩、軸功率測定精度。JN338-200A 扭矩傳感器扭矩儀經(jīng)中國計量科學(xué)研究院檢定，扭矩不確定度δT=±0.1%，扭矩和軸功率相對誤差：δT=±0.1%；δP=(δ2T+δ2n)1/2=±(0.12+0.12)1/2%=±0.14%。

5）泵裝置效率測試總誤差。泵或泵裝置效率測試系統(tǒng)誤差系上述揚程、流量、功率誤差合成[28]：δn=(δ2H+δ2Q+δ2P)1/2=±(0.12+0.242+0.142)1/2%=±0.295%

2 結(jié)果與分析

2.1 能量特性試驗

對慎江泵站泵裝置模型5個不同葉片角度下（±4°、±2°、0°）的能量特性進(jìn)行測試，每個葉片角度下設(shè)置13 個測量工況點。5 個葉片角度的最優(yōu)效率工況見表2。泵裝置模型綜合特性曲線見圖5，泵裝置原型綜合特性曲線見圖6，可以發(fā)現(xiàn)，在同一角度工況下，揚程隨著流量減小而增大。

表2 5 個葉片角最優(yōu)效率工況Table 2 Five blade Angle optimal efficiency conditions

圖5 泵裝置模型綜合特性曲線（Dm=0.3 m，nm=953 r/min）Fig.5 Comprehensive characteristic curve of pump unit model

慎江泵站5 個葉片角度下，模型泵裝置的最高效率在76%～78%之間，隨著葉片角度增大，泵裝置最高效率先增大后減小。在葉片角為0°時，豎井貫流泵裝置最高效率可達(dá)77.57%，泵裝置流量為220.5 L/s，轉(zhuǎn)換至原型泵裝置流量為16.56 m3/s，揚程為1.95 m，說明豎井貫流泵裝置在特低揚程泵站中可以獲得較高的效率。由特性曲線可以看出，0°葉片角的揚程工況被高效區(qū)覆蓋范圍最大，建議選用0°葉片角作為泵裝置實際運行角度。在0°葉片角工況下，揚程達(dá)到設(shè)計揚程1.38 m 時，泵裝置效率為70.69%，流量僅為18.83 m3/s。慎江泵站在設(shè)計揚程工況下泵裝置效率滿足運行要求（大于70%），但是流量偏小，需要提出改進(jìn)措施以滿足設(shè)計流量要求。

圖6 泵裝置原型綜合特性曲線（Dp=2.6 m，np=110 r/min）Fig.6 Comprehensive characteristic curve of pump prototype

2.2 汽蝕特性試驗

模型泵裝置的汽蝕試驗采用定流量的能量法，取泵裝置效率下降1%的汽蝕余量作為臨界汽蝕余量。汽蝕特性試驗在-4°～+4°每個葉片角度設(shè)置5 個流量工況點。泵裝置原型設(shè)計凈揚程和最高凈揚程臨界汽蝕余量見表3；各葉片角揚程與原型臨界汽蝕余量曲線見圖7。

表3 泵裝置原型設(shè)計凈揚程和最高凈揚程臨界汽蝕余量Table 3 Pump unit prototype design of net head and maximum net head critical cavitation allowance

圖7 泵裝置原型揚程與汽蝕特性曲線（Dp=2.6 m，np=110 r/min）Fig.7 Pump prototype head and cavitation characteristic curves

在試驗結(jié)果的流量范圍內(nèi)，同一葉片角度下，臨界汽蝕余量隨著流量的增大而增大，與文獻(xiàn)[19、25-26]中的泵裝置汽蝕特性試驗規(guī)律一致。對比各葉片角度下的臨界汽蝕余量，可以發(fā)現(xiàn)5 個葉片角度下的臨界汽蝕余量均遠(yuǎn)小于10 m（本試驗的有效汽蝕余量大于10 m）。因此，試驗揚程條件下，慎江泵站的裝置汽蝕余量充裕，不會產(chǎn)生汽蝕危害。

2.3 飛逸特性試驗

分別將水泵葉片角度調(diào)至-4°、0°、+4°試驗角度，對水泵裝置進(jìn)行飛逸特性試驗，試驗測定模型泵作水輪機工況反轉(zhuǎn)且輸出力矩為0 的轉(zhuǎn)速。裝置飛逸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如表4 所示。原型泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速隨揚程變化曲線如圖8 所示。

由表4 可知，在-4°、0°、和+4°的試驗角度下，原型泵裝置的平均單位飛逸轉(zhuǎn)速N0分別為：398.7、332.0、268.9 r/min。同一個葉片角度下，飛逸轉(zhuǎn)速隨著揚程增大而增大。原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度增大而減小，在葉片角為-4°時原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速最大。本貫流泵也滿足文獻(xiàn)[19，23，26]所述的飛逸轉(zhuǎn)速特性規(guī)律。葉片角為0°時，最高揚程對應(yīng)的原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為198.5 r/min，相當(dāng)額定轉(zhuǎn)速的1.80 倍；設(shè)計揚程對應(yīng)的原型泵飛逸轉(zhuǎn)速為126.4 r/min，相當(dāng)額定轉(zhuǎn)速的1.15 倍。文獻(xiàn)[18]中豎井貫流泵裝置的最大飛逸轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速的2 倍，學(xué)者認(rèn)為應(yīng)該重視泵裝置事故門的選型和設(shè)計。與之相比，慎江泵站原型泵的最大飛逸轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的1.80 倍，影響泵站安全運行，建議對泵裝置結(jié)構(gòu)或者電機的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

表4 裝置飛逸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)Table 4 Device runaway speed data

圖8 原型泵裝置飛逸特性曲線Fig.8 Runaway characteristic curve of prototype pump device

2.4 運行方案調(diào)整

在0°試驗角度運行方案下，慎江泵站裝置揚程取設(shè)計凈揚程0.98 m 時，流量基本滿足設(shè)計要求；但是，在設(shè)計揚程1.38 m 時，葉片角0°運行方案的流量僅為18.83 m3/s，流量偏小不滿足設(shè)計流量的要求。而且，原型泵在0°葉片角工況下，最大凈揚程2.76 m時，原型泵飛逸轉(zhuǎn)速相當(dāng)于額定轉(zhuǎn)速的1.8 倍，對泵站安全運行不利。為加大流量，并增加運行穩(wěn)定性、安全性，適當(dāng)增加轉(zhuǎn)速是必要的。取轉(zhuǎn)速n=120 r/min，原型性能曲線如圖9；為作對比，取轉(zhuǎn)速n=125 r/min，原型性能曲線如圖10。

對比圖9 及圖10，轉(zhuǎn)速加大到125 r/min，雖然設(shè)計揚程流量比轉(zhuǎn)速120 r/min 稍有增大（葉片角0°增大1.2 m3/s），但裝置效率下降2.3%。為力求高效區(qū)接近設(shè)計揚程，取設(shè)計轉(zhuǎn)速120 r/min，圖11 為120 r/min 原型綜合特性曲線。原型泵運行方案調(diào)整前后數(shù)據(jù)對比見表5。

圖9 原型性能曲線（Dp=2.6 m，np=120 r/min）Fig.9 Prototype performance curve

圖10 原型性能曲線（Dp=2.6 m，np=125 r/min）Fig.10 Prototype performance curve

圖11 原型綜合特性曲線（Dp=2.6 m，np=120 r/min）Fig.11 Prototype comprehensive performance curve

表5 原型泵運行方案調(diào)整前后數(shù)據(jù)對比（揚程1.38 m）Table 5 Comparison of data before and after adjustment of prototype pump operation scheme

水泵額定轉(zhuǎn)速增加到120 r/min，葉片角為0°，設(shè)計揚程為1.38 m 時，流量為21.09 m3/s，裝置效率為71.46%，滿足水泵設(shè)計流量要求和效率要求。由圖9 及圖11 可知，各葉片角度穩(wěn)定運行揚程均可達(dá)3.5 m 或更高，能保證泵站全部揚程范圍穩(wěn)定運行。對比改進(jìn)前，裝置流量增大2.26 m3/s，裝置效率增大0.77%，滿足設(shè)計流量和泵裝置效率要求；雖然原型泵的臨界汽蝕余量增大0.87 m，但其值還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有效汽蝕余量，不可能產(chǎn)生汽蝕危害；最大揚程為2.93 m 時，原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速相當(dāng)額定轉(zhuǎn)速的1.65倍；設(shè)計揚程為1.38 m 時，原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速相當(dāng)額定轉(zhuǎn)速的1.05 倍。若考慮原型泵的摩擦損失和轉(zhuǎn)動慣量等因素，原型泵的真實飛逸轉(zhuǎn)速將比換算得出的飛逸轉(zhuǎn)速值略小，可以滿足水泵安全運行要求。

3 討論

慎江泵站前置豎井貫流泵裝置原運行方案裝置效率較高，水力特性良好，但在設(shè)計工況下的流量偏小，不能滿足運行要求，最大飛逸轉(zhuǎn)速過大，影響泵站安全運行。經(jīng)過方案調(diào)整，額定轉(zhuǎn)速增加至120 r/min 后，泵裝置效率有所增大，水力性能優(yōu)異，能滿足泵站穩(wěn)定、安全運行。與文獻(xiàn)[18]中的特低揚程豎井貫流泵裝置模型試驗研究對比，汽蝕飛逸特性一致。本文的原型泵裝置最優(yōu)工況點效率為77.57%，比文獻(xiàn)[18]中的原型泵裝置最優(yōu)工況點效率80.9%低了3.33%。主要是因為本文未考慮裝置空載且采用原模型等效率進(jìn)行效率換算，而文獻(xiàn)[18]中考慮了裝置空載并且采用“分布效率換算法”進(jìn)行原模型效率換算，如此換算相較于模型泵裝置效率能提升3%左右。因此，若本文考慮裝置空載且采用“分布效率換算法”進(jìn)行原模型效率換算，原型泵裝置最優(yōu)工況點效率可達(dá)80%以上。慎江泵站豎井貫流泵裝置具有較高的裝置效率，汽蝕飛逸特性優(yōu)良，適合在特低揚程泵站中應(yīng)用?？蔀樨Q井貫流泵裝置在特低揚程泵站中應(yīng)用提供借鑒。

4 結(jié)論

1）慎江泵站豎井貫流泵裝置在葉片角為0°時，模型泵裝置的最高效率可達(dá)77.57%，且0，葉片角的揚程工況被高效區(qū)覆蓋范圍最大，建議選用0 建葉片角作為泵裝置實際運行角度。

2）0°葉片角方案在設(shè)計揚程工況下的流量偏小，不滿足單泵流量要求。

3）轉(zhuǎn)速為120 r/min 工況下，0°葉片角在設(shè)計揚程工況，流量為21.09 m3/s，裝置效率為71.46%，滿足設(shè)計流量和泵裝置效率要求，并且汽蝕特性和飛逸轉(zhuǎn)速特性均能滿足水泵安全、穩(wěn)定運行要求，是一種可行的調(diào)整方案。

4）裝置揚程隨著流量的增加而減小，裝置效率隨著流量增加先增大后減?。辉谠囼灹髁糠秶鷥?nèi)，裝置汽蝕余量隨著流量增大而增大；裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度增大而減小，在葉片角為-4°時裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速最大；同一葉片角度下的飛逸轉(zhuǎn)速隨著揚程增大而增大。

5）豎井貫流泵裝置具有較高的裝置效率，汽蝕飛逸特性優(yōu)良，在排澇泵站等特低揚程泵站中應(yīng)用前景良好，建議優(yōu)先采用。