引江濟(jì)淮西淝河北站水泵裝置模型試驗(yàn)研究

秦鐘建

(中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥 230601)

引江濟(jì)淮工程地跨皖豫兩省，涉及江淮兩大水系，是172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一。引江濟(jì)淮工程(安徽段)自南向北劃分為引江濟(jì)巢段、江淮溝通段及江水北送段[1-2]。江水北送段中的安徽段起點(diǎn)為淮河北岸西淝河站，終點(diǎn)為豫皖交界的練溝河倒虹吸出口，線路總長(zhǎng)223.8km。

江水北送(安徽)段多座泵站選用立式軸流泵裝置，為了確保泵站建成后水泵高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行，采用水泵裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)證水泵選型與流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)是否滿足工程建設(shè)要求是十分必要的[3-6]。模型裝置試驗(yàn)獲得水泵裝置不同葉片角度下的能量、空化、飛逸和壓力脈動(dòng)等水動(dòng)力特性，為設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)，對(duì)其他類(lèi)似泵站也具有一定的參考作用[7-9]。

1 工程概況

西淝河北站為引江濟(jì)淮工程淮河以北段的西淝河線第二級(jí)泵站，泵站設(shè)計(jì)流量80m3/s，設(shè)4臺(tái)立式軸流泵(其中1臺(tái)備用)，水泵葉輪直徑2850mm，轉(zhuǎn)速136.4r/min，單機(jī)配套功率為2500kW。泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.43m，最高揚(yáng)程5.83m，最小揚(yáng)程1.83m。

工程實(shí)施階段，為了確保西淝河北站安全高效運(yùn)行，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行泵裝置進(jìn)出水流道優(yōu)化研究工作[10-11]，確定進(jìn)出水流道形線見(jiàn)圖1。

圖1 西淝河北站泵裝置流道單線圖 (單位：mm)

2 裝置模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

裝置模型試驗(yàn)在江蘇大學(xué)水力模型高精度試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，該試驗(yàn)臺(tái)效率綜合允許不確定度優(yōu)于±0.32%。水泵裝置模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)速按原型與模型的nD值相等確定，模型泵采用ZM55軸流泵水力模型，葉輪直徑300mm，根據(jù)原型泵參數(shù)計(jì)算確定模型泵裝置試驗(yàn)轉(zhuǎn)速1295.8r/min，模型比9.5。

模型泵裝置由進(jìn)水流道、水泵葉輪、導(dǎo)葉和出水流道等裝配而成，全部過(guò)流部件幾何相似[12]。為便于觀察試驗(yàn)時(shí)模型裝置內(nèi)部水流和空蝕現(xiàn)象，葉輪室、進(jìn)出水流道均設(shè)有透明觀察窗，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見(jiàn)圖2。

圖2 西淝河北站模型裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.2 測(cè)量方法及精度

2.2.1 流量測(cè)量

流量采用電磁流量計(jì)測(cè)量。流量計(jì)水平布置，其前后直管段長(zhǎng)度滿足安裝大于5倍管路直徑要求，測(cè)量不確定度優(yōu)于±0.2%。

2.2.2 揚(yáng)程測(cè)量

采用智能差壓變送器測(cè)量，測(cè)量范圍為0～25m水柱。裝置模型試驗(yàn)揚(yáng)程測(cè)點(diǎn)位于進(jìn)出口水箱上，測(cè)量不確定度優(yōu)于±0.1%。

2.2.3 進(jìn)水箱真空度測(cè)量

以模型泵轉(zhuǎn)輪中心線為基準(zhǔn)，測(cè)點(diǎn)位于進(jìn)口水箱上，采用智能絕對(duì)壓力變送器測(cè)量，測(cè)量不確定度優(yōu)于±0.1%。

2.2.4 軸功率計(jì)算

轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速采用智能型轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量，傳感器在使用時(shí)只承受扭矩，不承受其他外力作用，測(cè)量不確定度優(yōu)于±0.1%。軸功率按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：P為軸功率，kW；n為模型泵試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，r/min；M為模型泵軸傳遞的去除機(jī)械損失的凈轉(zhuǎn)矩，N·m。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.3.1 能量試驗(yàn)

在能量試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)前，模型泵在額定工況點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)30min以上排除循環(huán)系統(tǒng)中游離氣體，并檢查水泵軸承、密封、噪聲和振動(dòng)狀況。能量性能試驗(yàn)從大流量點(diǎn)開(kāi)始并在無(wú)空化條件下進(jìn)行，試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)不少于15個(gè)。水泵裝置模型水力效率按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：η為水泵裝置效率，%；ρ為試驗(yàn)時(shí)水體密度，kg/m3；g為試驗(yàn)室當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s2；Q為模型泵裝置流量，m3/s，H為模型泵裝置揚(yáng)程，m。

2.3.2 空化試驗(yàn)

空化試驗(yàn)的第一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在無(wú)空化情況下進(jìn)行，完成第一個(gè)點(diǎn)測(cè)試后抽真空逐漸加大真空度，試驗(yàn)過(guò)程中保持試驗(yàn)轉(zhuǎn)速恒定，輔助泵轉(zhuǎn)速或截止閥開(kāi)度恒定，逐漸降低試驗(yàn)系統(tǒng)的空化余量，取水泵效率下降1%時(shí)的空化余量作為臨界空化余量?？栈囼?yàn)以模型泵轉(zhuǎn)輪中心線高程為基準(zhǔn)，按式(3)計(jì)算水泵裝置空化余量值。

(3)

2.3.3 飛逸試驗(yàn)

飛逸特性試驗(yàn)是測(cè)定模型泵在反轉(zhuǎn)(水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向)且軸扭矩為零時(shí)的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)時(shí)采取輔助泵反向供水使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，測(cè)量在軸扭矩為0時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速值，并根據(jù)式(4)計(jì)算出單位飛逸轉(zhuǎn)速。

(4)

式中：N′1,R為單位飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；nR為試驗(yàn)的飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；D為模型泵葉輪名義直徑，m；H為模型試驗(yàn)水頭，m。

原型泵飛逸轉(zhuǎn)速由式(5)計(jì)算。

(5)

式中：NR,P為原型泵飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；HP為原型泵工作點(diǎn)揚(yáng)程，m；DP為原型泵的葉輪名義直徑，m。

2.3.4 壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)

壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)采用高頻壓力傳感器對(duì)葉輪進(jìn)口、葉輪出口和導(dǎo)葉出口部位的壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量采樣頻率1000Hz，記錄時(shí)間15s，對(duì)每個(gè)葉片安放角測(cè)定5個(gè)不同工況點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 能量性能

模型試驗(yàn)進(jìn)行了水泵葉片7個(gè)不同角度(+6°、+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°)下的水泵裝置能量特性試驗(yàn)。試驗(yàn)中通過(guò)觀察窗觀察，進(jìn)出水流道及葉片處流態(tài)良好，未發(fā)生旋渦與渦帶等有害現(xiàn)象。模型泵裝置的流量-揚(yáng)程、流量-效率和流量-軸功率等綜合曲線見(jiàn)圖3，各葉片角度下最優(yōu)效率工況點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表1，原型泵綜合特性曲線見(jiàn)圖4。

圖3 泵裝置模型能量試驗(yàn)綜合特性曲線

表1 泵裝置模型的最優(yōu)工況點(diǎn)性能參數(shù)數(shù)據(jù)

圖4 原型泵裝置綜合特性曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明：水泵裝置模型最高效率76.56%，此時(shí)葉片角度為+4°、揚(yáng)程4.236m、流量349.11L/s、軸功率18.95kW；當(dāng)葉片角度-2°時(shí)，揚(yáng)程3.43m、流量305.14L/s，效率75.0%，該參數(shù)滿足水泵設(shè)計(jì)流量26.7m3/s的要求，選-2°為水泵設(shè)計(jì)工況運(yùn)行角度是合適的。

3.2 空化性能

模型試驗(yàn)進(jìn)行了水泵葉片7個(gè)不同角度(+6°、+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°)下的水泵裝置空化性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)每個(gè)葉片角度測(cè)試了5個(gè)工況點(diǎn)，限于篇幅，只列出葉片角+6°時(shí)的空化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。分別以流量和揚(yáng)程為橫坐標(biāo)軸表示了不同葉片角度模型泵裝置的臨界空化余量變化曲線，見(jiàn)圖5和圖6。

表2 水泵模型裝置空化特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)(+6°)

圖5 模型泵裝置臨界空化余量變化曲線(一)

圖6 模型泵裝置臨界空化余量變化曲線(二)

試驗(yàn)結(jié)果表明：同一葉片角度下，臨界空化余量值呈隨流量或揚(yáng)程的增加先減小再增大的趨勢(shì)；在相同揚(yáng)程工況下，臨界空化值隨著葉片角度的增大而增大。裝置模型的臨界空化余量均小于8.85m；在水泵葉片安放角為-2°時(shí)，揚(yáng)程為1.83～5.83m，水泵裝置的最大空化余量值小于7.0m，表明水泵裝置空化性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 飛逸性能

模型試驗(yàn)進(jìn)行了水泵葉片7個(gè)不同角度(+6°、+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°)下的水泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，限于篇幅，只列出葉片角度-6°飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3，其余各葉片角度單位飛逸轉(zhuǎn)速見(jiàn)表4。

表3 飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)(-6°)

表4 各葉片安放角度下單位飛逸轉(zhuǎn)速值

試驗(yàn)結(jié)果表明：水泵單位飛逸轉(zhuǎn)速隨著葉片角度的增加而減??；同一葉片的飛逸轉(zhuǎn)速隨著裝置凈揚(yáng)程增大而增大。各葉片安放角的最大單位飛逸轉(zhuǎn)速為葉片角度為-6°時(shí)的285.77r/min，根據(jù)式(5)計(jì)算最大揚(yáng)程5.83m時(shí)原型水泵的最大飛逸轉(zhuǎn)速為242.11r/min，是水泵額定轉(zhuǎn)速的1.77倍，可作為水泵、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分超速安全運(yùn)行的設(shè)計(jì)依據(jù)[13]。

3.4 壓力脈動(dòng)

模型試驗(yàn)進(jìn)行了水泵葉片7個(gè)不同角度(+6°、+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°)下的水泵裝置壓力脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試，限于篇幅，只給出-2°葉片安放角在各特征凈揚(yáng)程工況下的時(shí)域和頻域壓力脈動(dòng)曲線，見(jiàn)圖7。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用97%置信度雙幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[14]，在葉片角0°以下的所有運(yùn)行范圍內(nèi)：在葉輪進(jìn)口的最大脈動(dòng)幅值小于0.26m；在葉輪出口導(dǎo)葉進(jìn)口最大脈動(dòng)幅值小于1.25m，主要是由于旋轉(zhuǎn)葉輪與固定導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉所致；在導(dǎo)葉出口的最大脈動(dòng)幅值也小于0.85m。

圖7 -2°葉片安放角不同凈揚(yáng)程壓力脈動(dòng)時(shí)域和頻域圖

在最優(yōu)工況點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)較小，在低揚(yáng)程和高揚(yáng)程工況壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)較大，在大角度工況下總體壓力脈動(dòng)幅值較小角度工況要大，振動(dòng)的主頻主要為水泵的葉頻及其倍頻，在試驗(yàn)過(guò)程中該泵的內(nèi)部流動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)對(duì)泵性能的影響較小，未引起明顯的振動(dòng)和噪聲。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.泵裝置75%的高效率范圍區(qū)間較寬，可降低運(yùn)行能耗并有利于發(fā)揮泵站的經(jīng)濟(jì)效益；泵裝置空化特性良好，水泵安裝高程16.60m具有足夠的安全裕量，可保證機(jī)組在無(wú)空化條件下穩(wěn)定運(yùn)行；水泵運(yùn)行時(shí)內(nèi)部流動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)對(duì)泵性能的影響較小，不影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

b.原型泵裝置最大飛逸轉(zhuǎn)速為242.11r/min，是水泵額定轉(zhuǎn)速的1.77倍，水泵和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分按該超速要求設(shè)計(jì)，可保證機(jī)組安全運(yùn)行。

c.西淝河北站選用ZM55水力模型，并據(jù)此確定原型水泵葉輪直徑2.85m和額定轉(zhuǎn)速136.4r/min等機(jī)組參數(shù)，滿足西淝河北站泵站的設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)成果可為選用ZM55水力模型的泵站提供借鑒和參考。