全貫流泵裝置外特性試驗(yàn)研究
——以龍昆溝北雨水排澇泵站為例

劉健峰，陸偉剛，周秉南，孫晨光，2，夏 輝

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；3.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州 225127）

0 引 言

全貫流泵是一種融合貫流泵和潛水電機(jī)技術(shù)的新型機(jī)電一體化產(chǎn)品，其葉輪直接安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，水泵葉片安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯和電機(jī)軸之間，葉片沒有葉頂間隙，電機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的工作扭矩能直接通過轉(zhuǎn)子鐵芯傳遞到葉輪上。全貫流泵保持了貫流泵本身的優(yōu)點(diǎn)，如進(jìn)水流態(tài)均勻，土建投資小、建設(shè)周期短，結(jié)構(gòu)簡化緊湊等［1］，而且相較于傳統(tǒng)潛水軸流泵，全貫流泵采用濕定子型潛水電機(jī)技術(shù)，其結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸縮短了近一半且重量輕，能夠?qū)崿F(xiàn)快速自耦安裝，是目前推廣的新型水泵。目前，對軸伸式貫流泵和燈泡貫流泵的研究相對較多，而對全貫流泵的研究和分析還相對較少，劉超［2］等探討了軸流泵系統(tǒng)研究發(fā)展趨勢，并圍繞我國目前的軸流泵系統(tǒng)水力性能研究，提出了相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新的方向。古智生［3］介紹并分析了四種貫流式泵站的特點(diǎn)，探討了全貫流泵的研究方向并給出其今后需要研究的流態(tài)、結(jié)構(gòu)和工況調(diào)節(jié)問題。曹良軍［4］等以清水塘全貫流泵站為例，通過分析其泵裝置的安裝和運(yùn)行，提出并實(shí)施了出水端推力自耦式安裝方式，并給出推力自耦安裝方式的穩(wěn)定判據(jù)。李亞楠［5］以國內(nèi)低揚(yáng)程全貫流泵站的發(fā)展為背景，提出了一種利用軌道進(jìn)行水泵整體快速掉向的方法，對全貫流式泵站的水力設(shè)計以及運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化研究，進(jìn)一步推動全貫流式泵站理論研究與應(yīng)用研究的發(fā)展。王海［6］通過比較半貫流抽水裝置和全貫流抽水裝置，得出全貫流泵能夠消除間隙空化，空化性能好且檢修方便。

龍昆溝北雨水排澇泵站為低揚(yáng)程大流量泵站，對于這一類泵站，大部分前人學(xué)者的研究對象是豎井貫流泵，認(rèn)為在低揚(yáng)程大流量泵站中豎井貫流泵具有較好的適用性，且他們主要通過實(shí)物模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬計算的方式研究在某個具體低揚(yáng)程大流量的泵站工程中豎井貫流泵裝置的內(nèi)外特性。朱紅耕［7，8］等以鹽城市某泵站設(shè)計參數(shù)為例，運(yùn)用計算流體動力學(xué)方法，對該新型模型貫流泵裝置進(jìn)行數(shù)值分析和性能預(yù)測，研發(fā)一種豎井進(jìn)水、虹吸出水和真空破壞閥斷流的新型豎井貫流泵裝置結(jié)構(gòu)型式。徐磊［9］等結(jié)合南水北調(diào)東線一期工程的邳州泵站，針對其豎井貫流泵裝置采用數(shù)值計算的方法，進(jìn)行了相關(guān)的水力研究，認(rèn)為前置豎井貫流泵裝置在低揚(yáng)程泵站中具有較高的適用性。張仁田［10，11］等采用CFD 數(shù)值模擬技術(shù)對豎井貫流泵裝置的虹吸式出水方式和平直管出水方式進(jìn)行試驗(yàn)對比，結(jié)果表明虹吸式出水流道的水力性能有明顯優(yōu)勢，應(yīng)優(yōu)先采用。張旭［12］等通過模型試驗(yàn)對豎井貫流泵裝置進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明對于低揚(yáng)程大流量泵站，豎井貫流式水泵水力性能優(yōu)異，具有較高的適用性。而對于應(yīng)用在低揚(yáng)程大流量泵站的全貫流泵，目前多數(shù)研究是關(guān)于泵站的運(yùn)行設(shè)計以及進(jìn)出水流道中水流流態(tài)的數(shù)值模擬，對于全貫流泵裝置在低揚(yáng)程大流量泵站的外特性研究依然較少。

本研究以龍昆溝北雨水排澇泵站為例，通過采用模型試驗(yàn)法對應(yīng)用在龍昆溝北雨水排澇泵站中的全貫流泵裝置外特性進(jìn)行研究和討論。根據(jù)工程概況設(shè)計了全貫流泵裝置模型試驗(yàn)、確定試驗(yàn)系統(tǒng)并選取測試方法，在各個特征揚(yáng)程下對全貫流泵裝置的能量特性、汽蝕特性和飛逸特性進(jìn)行試驗(yàn)并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論分析。研究成果對全貫流泵裝置對今后實(shí)際低揚(yáng)程大流量泵站工程的設(shè)計具有一定的科學(xué)參考意義。

1 工程概況

龍昆溝北雨水排澇泵站位于?？谑旋埨夏┒?，該工程能夠幫助緩解龍昆溝流域的排澇壓力，提高周圍區(qū)域的防洪排澇能力，是龍昆溝流域重要的治澇工程。泵站等級為Ⅰ級水工建筑物，裝置設(shè)計揚(yáng)程Hsy=1.73 m，裝置最高揚(yáng)程Hsymax=2.37 m，設(shè)計流量為80 m3/s。泵站裝設(shè)有5 臺型號為2800QGLN16/173-560的大型全貫流潛水泵，電機(jī)轉(zhuǎn)速為145 r/min，水泵的葉輪直徑為2.25 m。泵站進(jìn)水側(cè)采用單側(cè)豎井式進(jìn)水，出水側(cè)采用平直管流道出水，其在順?biāo)鞣较蚩傞L為25 m，流道進(jìn)出口寬度6.0 m，高3.2 m，流速約為0.83 m/s。進(jìn)水流道進(jìn)口側(cè)分別設(shè)置一道檢修閘門和一道攔污格柵，出水流道出口側(cè)分別設(shè)置兩道閘門，一道為帶小拍門的工作閘門，一道為事故閘門。

2 物理模型與試驗(yàn)方法

2.1 模型設(shè)計

龍昆溝北雨水排澇泵站原型泵葉輪葉片數(shù)為4，原型和模型泵的葉輪直徑分別為Dn=2.25 m，Dm=0.3 m，即模型比Dr=Dn/Dm=2.25/0.3=7.5。試驗(yàn)原型泵轉(zhuǎn)速nn=145 r/min，原型泵裝置的過流部件和模型泵裝置的過流部件按照幾何相似的原則進(jìn)行制作，即對應(yīng)的構(gòu)件尺寸按同一模型比確定。根據(jù)相似條件nmDm=nnDn，即模型裝置試驗(yàn)轉(zhuǎn)速nm=1 087.5 r/min。進(jìn)水流道和出水流道均以鋼板焊接，在將流道原型混凝土的粗糙度按模型比縮小至模型裝置粗糙度時，因鋼板表面糙度不容易相似，故在鋼制流道內(nèi)壁加清漆涂層。模型全貫流泵裝置葉輪直接安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，水泵葉片安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯和電機(jī)軸之間，即水泵電機(jī)運(yùn)行時所產(chǎn)生的工作扭矩能直接借由電機(jī)轉(zhuǎn)子的鐵芯直接傳遞到葉輪。水泵裝置采用15 m3壓力水箱供水，水箱中布置有豎井，泵段的進(jìn)水端伸出長軸，長軸伸入豎井，豎井中安裝特制齒輪箱并在齒輪箱前軸上安裝測功扭矩儀，實(shí)現(xiàn)立式動力機(jī)與模型泵傳動，圖1 和圖2 為流道模型圖，圖3 為水泵裝置模型圖，圖4 為帶外圈的泵段模型圖，圖5 為泵殼和轉(zhuǎn)子體剖面圖。水泵模型通過前期多方案比選，最終確定采用裝置模型TJ04-ZL-07，該模型的葉片數(shù)為3，導(dǎo)葉數(shù)為5，輪轂尺寸dh=107.3 mm，采用全貫流泵方案并根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行條件將葉片安放角固定為+2°。

圖1 流道縱剖面圖（單位：mm）Fig.1 Longitudinal section of flow channel

圖2 流道平面布置圖（單位：mm）Fig.2 Flow channel plan

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

圖4 帶外圈的模型泵段Fig.4 Model pump section with outer ring

圖5 泵殼-轉(zhuǎn)子體剖面圖Fig.5 Profile of pump casing and rotor body

2.2 試驗(yàn)臺布置

龍昆溝北雨水排澇泵站泵裝置模型試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)村水利研究院的泵站試驗(yàn)臺進(jìn)行。圖6為該泵站試驗(yàn)臺平面圖。試驗(yàn)臺的工作參數(shù)為：流量0～0.8 m3/s；揚(yáng)程-1～6 m；根據(jù)試驗(yàn)要求，本項目為裝置動力特性、汽蝕特性、飛逸特性試驗(yàn)，進(jìn)水側(cè)的豎井和出水側(cè)的流道均采用封閉式布置。泵站試驗(yàn)臺主體部分由動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和水力循環(huán)系統(tǒng)組成。其動力機(jī)功率為40 kW，轉(zhuǎn)速為0～1 600 r/min。試驗(yàn)臺的動力和水力系統(tǒng)包括：40 kW 動力機(jī)、80 m3開敞式儲水池、30 kW 貫流輔助泵、5×5×1 m3壓力箱、75 m3水量調(diào)蓄池、2 m×2.0 m×4.0 m移動式鋼箱等。

圖6 泵站試驗(yàn)臺平面布置圖Fig.6 Layout of pumping station test bed

2.3 測試方法及試驗(yàn)過程

龍昆溝北雨水排澇泵站泵裝置模型通過傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理器以及專用軟件進(jìn)行揚(yáng)程、流量、轉(zhuǎn)速、軸功率等試驗(yàn)參數(shù)的測定。微機(jī)實(shí)時顯示屏照片如圖7所示。試驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)能夠通過該系統(tǒng)進(jìn)行自動化采樣、處理、儲存和顯示。其中各項試驗(yàn)參數(shù)通過下述方法和儀器進(jìn)行測量。

（1）流量Q：通過電磁流量計進(jìn)行流量測定，其型號為：LDG-500。該流量計的具體流量數(shù)值通過轉(zhuǎn)換器IMT-25（美），可以直接讀取，流量計的檢定誤差δQ為±0.24%；流量計前安裝比測設(shè)備新型繞流管流速流量計，其專用二次儀表可以直讀流速和流量值。

（2）水泵裝置揚(yáng)程Hsy：水泵裝置揚(yáng)程Hsy需在進(jìn)口水箱和出水壓力水箱壁設(shè)測壓點(diǎn)，并和差壓變送器連接，其型號為JCR110A-EMS4A-92DA。該差壓變送器所測得數(shù)值的不確定度δ大于等于±0.1%。裝置揚(yáng)程Hsy等于進(jìn)、出口水箱的水頭差（即相當(dāng)于原型泵站內(nèi)外水位差）；該差壓變送器系統(tǒng)檢定的最小不準(zhǔn)確度δH為±0.1%。由于本試驗(yàn)裝置中的水箱過水?dāng)嗝婷娣e較大，故差壓傳感器所顯示的讀數(shù)即為裝置揚(yáng)程Hsy。微機(jī)系統(tǒng)參數(shù)取樣在水泵運(yùn)行工況充分穩(wěn)定后間隔進(jìn)行，其間隔時間為1 s。

（3）水泵泵軸轉(zhuǎn)速：由JN338-200A 型測功扭矩儀直接測量并讀取，該扭矩儀的傳感器二次儀表轉(zhuǎn)矩的最小不確定度為±0.1%，故本實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速測定精度取δn=±0.1%。

（4）泵軸功率：采用馬達(dá)天平測功機(jī)進(jìn)行測量，水泵軸功率P（kW）：［13］

P=2πn（G-G0）L/60=（G-G0）n/1 000

式中：G0為馬達(dá)天平砝碼重（同轉(zhuǎn)速無水空轉(zhuǎn)），kg；G為負(fù)載條件下馬達(dá)天平砝碼重，kg；L為馬達(dá)天平臂桿長，m，L=0.974 m。

軸功率的相對誤差為δP=（δ2T+δ2n）1/2=±（0.12+0.12）1/2%=±0.14%。

（5）模型裝置效率［14］：模型裝置效率通過微機(jī)系統(tǒng)計算、顯示并記錄。計算公式如下：

ηsy=［ρgQHsy/（P-P0）］×100%

式中：ρ為試驗(yàn)水體的密度，kg/m3；g為試驗(yàn)所在地的重力加速度，m/s2；Q為模型裝置運(yùn)行流量，m3/s；P為模型泵裝置輸入軸功率，W；P0為模型泵裝置空載時的功率，W；Hsy為模型泵裝置揚(yáng)程，m。

模型裝置效率由下式計算得：

取δH=±0.1%，δQ=±0.24%，δP=±0.14%，由此可得效率綜合系統(tǒng)誤差：

δη0=±（0.12+0.242+0.142）1/2%=±0.295%

在本泵裝置試驗(yàn)臺試驗(yàn)測試中，其隨機(jī)效率極限相對誤差δηn小于±0.1%，即本試驗(yàn)裝置效率總相對誤差為：

δη=（δ2η0+δ2ηn）1/2=±（0.2952+0.12）1/2%=±0.311%

（6）裝置汽蝕余量：本試驗(yàn)中的裝置汽蝕余量通過電容式壓差變送器進(jìn)行測定。進(jìn)口水箱中設(shè)有一測點(diǎn)，跟壓差變送器的高壓端連接并進(jìn)行揚(yáng)程測控，在開敞式的有機(jī)玻璃中同樣設(shè)有一測點(diǎn)，跟壓差變送器的低壓端連接。泵葉輪中心壓差ΔH（m）通過JC-E110A-EMS4A-92DA 電容式壓差變送器測定，其高壓接口跟取壓連通管連接，低壓接口接入連透明容器（圖7）。變送器實(shí)測壓差ΔH（m），泵裝置有效汽蝕余量的計算公式如下：

圖7 微機(jī)實(shí)時顯示屏照片F(xiàn)ig.7 Photos of micro-computer real-time display screen

NPSHa=Pa/（ρg）+ΔH-Pv/（ρg）

式中：Pa為試驗(yàn)所在地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；Pv為試驗(yàn)所在環(huán)境的飽和蒸汽壓強(qiáng)，Pa。

（7）臨界汽蝕余量NPSHc：本試驗(yàn)中的臨界汽蝕余量計算參照《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（SL140-2006）規(guī)定［15］。在實(shí)際試驗(yàn)時保證流量不變，通過對封閉循環(huán)系統(tǒng)抽真空，使得裝置有效汽蝕余量NPSHa隨系統(tǒng)真空度加大而逐漸下降。本研究取試驗(yàn)泵裝置效率下降1%時的有效汽蝕余量為臨界汽蝕余量NPSHc［16，17］。

（8）飛逸轉(zhuǎn)速：在測試飛逸轉(zhuǎn)速時，將扭矩傳感器與動力機(jī)分離，同時通過運(yùn)行輔助泵，水泵倒轉(zhuǎn)運(yùn)行反向進(jìn)行供水并產(chǎn)生穩(wěn)定的反向水頭；在裝置運(yùn)行時，裝置飛逸轉(zhuǎn)速即為經(jīng)微機(jī)測量得到并顯示的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速［18，19］。通過計算單位飛逸轉(zhuǎn)速N0的大小來研究裝置的飛逸特性，具體計算公式如下：

N0=nfDm/Hm0.5

式中：nf為實(shí)際測量得到的飛逸轉(zhuǎn)速。本研究通過測量多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而計算得到單位飛逸轉(zhuǎn)速平均值。

（9）泵模型裝置和原型裝置的揚(yáng)程、流量、效率以及飛逸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換。

泵裝置-泵站原模型流量、揚(yáng)程按下式換算［20，22］：

式中：下標(biāo)r為模型泵裝置和原型泵裝置的比值；下標(biāo)n表示原型泵裝置；下標(biāo)m表示模型泵裝置。

原、模型裝置效率采用陸偉剛［23］提出的“分部效率換算”方法進(jìn)行換算。由于本試驗(yàn)的模型泵裝置和原型泵裝置的單位飛逸轉(zhuǎn)速N0相同，故原型泵裝置的飛逸轉(zhuǎn)速可采用下式計算［24］：

3 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

3.1 能量特性試驗(yàn)

在無汽蝕的前提條件下，對龍昆溝北雨水排澇泵站TJ04-ZL-07 模型全貫流泵裝置葉片角固定為+2°時的全部揚(yáng)程范圍內(nèi)進(jìn)行能量試驗(yàn)，整理試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)得到全貫流泵裝置模型特性曲線見圖8；可以發(fā)現(xiàn)龍昆溝北雨水排澇泵站TJ04-ZL-07 模型全貫流泵裝置在葉片安放角固定為+2°時，流量增大，揚(yáng)程會隨之而先增大后逐漸減小。在裝置流量介于0.1～0.27 m3/s 時，流量增大，裝置效率會隨之逐漸增大；在裝置流量介于0.27～0.35 m3/s時，流量增大，裝置效率會隨之逐漸減小。裝置最高效率為67.28%，此時泵裝置流量為272.6 L/s，揚(yáng)程為2.22 m。而在揚(yáng)程達(dá)到設(shè)計揚(yáng)程1.73 m 時，此時泵裝置的對應(yīng)效率為63.61%，流量為311.5 L/s；

圖8 全貫流泵模型裝置特性曲線Fig.8 Characteristic curve of model device of the whole tubular pump

根據(jù)“分部效率換算法”［23］將模型特性曲線轉(zhuǎn)換至原型泵裝置曲線見圖9?？梢园l(fā)現(xiàn)，水泵原型裝置最高效率為70.02%，此時水泵裝置的流量為15.35 m3/s，揚(yáng)程為2.16 m；在揚(yáng)程達(dá)到設(shè)計揚(yáng)程1.73 m 時，泵裝置流量為17.28 m3/s，滿足設(shè)計要求。然而此時的泵裝置效率僅僅為65.25%，較工程要求的設(shè)計運(yùn)行效率（70%）相對偏小，需要提出改進(jìn)措施或調(diào)整模型方案重新試驗(yàn)以滿足泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。

圖9 全貫流泵效率換算原型裝置特性曲線Fig.9 Characteristic curve of prototype device for efficiency conversion of all tubular pump

3.2 汽蝕特性試驗(yàn)

在汽蝕試驗(yàn)中，汽蝕余量及揚(yáng)程、效率均由微機(jī)系統(tǒng)記錄，實(shí)際取值主要根據(jù)汽蝕曲線圖來完成。汽蝕性能試驗(yàn)針對全貫流泵模型取5 個流量工況點(diǎn)進(jìn)行測試。根據(jù)“分部效率換算法”［23］將模型裝置汽蝕特性曲線轉(zhuǎn)換至原型裝置汽蝕特性曲線見圖10。

圖10 揚(yáng)程與汽蝕特性曲線圖（原型泵裝置）Fig.10 Head and cavitation characteristic curve of pump prototype

研究結(jié)果表明，在葉片安放角固定為+2°的條件下，當(dāng)運(yùn)行流量小于13 m3/s時，原型泵裝置的臨界汽蝕余量隨著運(yùn)行流量的增大而逐漸減小，在運(yùn)行流量大于13 m3/s 時，原型泵裝置的流量增大，其臨界汽蝕余量隨著之而逐漸增大。由圖10 可知，在任何運(yùn)行工況下，本研究的全貫流泵泵裝置臨界汽蝕余量均遠(yuǎn)小于10 m，且由2.3 章節(jié)中的裝置有效汽蝕余量公式計算所得本試驗(yàn)的有效汽蝕余量大于10 m。因此，在實(shí)際各運(yùn)行工況下，龍昆溝北雨水排澇泵站的裝置汽蝕余量充足，因汽蝕而受到裝置損害的概率較小。

3.3 飛逸特性試驗(yàn)

本研究的飛逸特性試驗(yàn)針對全貫流泵裝置進(jìn)行，經(jīng)微機(jī)測量得到并顯示的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速即為相應(yīng)水頭下的裝置飛逸轉(zhuǎn)速，并據(jù)此計算出模型泵裝置的單位飛逸轉(zhuǎn)速。在不考慮原型泵軸承、填料、齒輪箱、電機(jī)等一系列摩擦損失及轉(zhuǎn)動慣量誤差等因素時，原型泵裝置和模型泵裝置的單位飛逸轉(zhuǎn)速唯一且相等［25，26］。

+2°平均單位飛逸轉(zhuǎn)速N0為：315.72 r/min。通過計算求得原型泵裝置的飛逸轉(zhuǎn)速跟揚(yáng)程的變化關(guān)系。由圖11可知，在固定+2°葉片安放角前提下，如果原型泵裝置的試驗(yàn)水泵揚(yáng)程增加，飛逸速度也就會因此而提高。同時在試驗(yàn)揚(yáng)程為設(shè)計揚(yáng)程的條件下，原型泵裝置的最大飛逸轉(zhuǎn)速為187.5 r/min，即等于1.29 倍的額定轉(zhuǎn)速；在試驗(yàn)揚(yáng)程為最高揚(yáng)程的條件下，原型泵裝置的最大飛逸轉(zhuǎn)速為216 r/min，即等于1.49 倍的額定轉(zhuǎn)速。但實(shí)際上原型泵裝置在運(yùn)行過程中其飛逸轉(zhuǎn)速會略小于從模型泵裝置的飛逸轉(zhuǎn)速計算得到換算值，其原因主要是原型泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速換算未將電動機(jī)運(yùn)行時和摩擦損失和轉(zhuǎn)動慣量誤差等因素［26］計算在內(nèi)，這將對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定誤差。與同樣選用TJ04-ZL-07 模型的文獻(xiàn)［18］相比，其試驗(yàn)得到的飛逸轉(zhuǎn)速為泵裝置額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速的1.65 倍，因此本次試驗(yàn)泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速合理，飛逸特性良好。

圖11 原型泵裝置飛逸特性曲線圖Fig.11 Runaway characteristic curve of prototype pump device

3.4 模型方案調(diào)整

在揚(yáng)程達(dá)到設(shè)計揚(yáng)程1.73 m 時，龍昆溝北雨水排澇泵站的泵裝置流量為17.28 m3/s，滿足設(shè)計要求，然而此時的泵裝置效率僅為65.25%，較工程要求的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率（70%）相對偏小，考慮其主要原因可能由全貫流泵葉輪外圈與外殼之間實(shí)際間隙存在誤差所致。由圖5，全貫流泵葉輪外殼內(nèi)徑Φ324，葉輪外圈外徑Φ320，間隙2 mm，相當(dāng)于原型泵裝置的間隙為15 mm，而實(shí)際原型間隙一般小于10 mm，間隙誤差會對全貫流泵性能計算結(jié)果產(chǎn)生影響。故調(diào)整全貫流泵模型并取實(shí)際間隙1 mm（相當(dāng)于原型泵裝置的間隙為7.5 mm）重新試驗(yàn)，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)之后采用“分部效率換算法”［23］計算全貫流泵原形裝置特性曲線（調(diào)整間隙）并跟原全貫流泵原形裝置特性曲線作比較見圖12，模型方案調(diào)整前后在設(shè)計揚(yáng)程工況下的原型泵裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 設(shè)計揚(yáng)程工況下原型泵運(yùn)行數(shù)據(jù)對比表Tab.1 Comparison of operation data of prototype pump under design head condition

圖12 全貫流泵原型裝置間隙誤差調(diào)整前后特性對比圖Fig.12 Comparison of characteristics before and after adjustment of clearance accuracy error of prototype device of full tubular pump

在調(diào)整葉輪外圈與葉輪外殼之間的間隙后原型泵裝置的最高效率可達(dá)到73.45%，泵裝置流量為15.3 m3/s，相較于調(diào)整間隙之前的原型裝置特性曲線，其最高效率提升了3.43%，高揚(yáng)程段提升了4%～7%，低揚(yáng)程段提升了1%～4%。在揚(yáng)程達(dá)到設(shè)計揚(yáng)程1.73 m 時，泵裝置流量為17.28 m3/s，泵裝置效率提升至70.01%，能夠達(dá)到龍昆溝北雨水排澇泵站設(shè)計運(yùn)行效率要求。在調(diào)整模型之后，泵裝置的臨界汽蝕余量增大了0.26 m，仍遠(yuǎn)小于其裝置有效汽蝕余量，因此該泵裝置因汽蝕而受到損害的概率仍舊較小。在試驗(yàn)揚(yáng)程為設(shè)計揚(yáng)程1.73 m 的條件下，原型泵裝置的飛逸轉(zhuǎn)速等于1.25 倍的額定轉(zhuǎn)速，所以即使在水流倒灌的情況下，依舊保證泵站機(jī)組的安全［27，28］。

4 討 論

龍昆溝北雨水排澇泵站全貫流泵裝置在原模型設(shè)計方案下，其水力特性優(yōu)秀。但該泵裝置在設(shè)計工況下，其運(yùn)行效率相對偏低，不滿足實(shí)際泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。經(jīng)過模型試驗(yàn)方案調(diào)整，將葉輪外殼與葉輪外圈之間的間隙從2 mm 調(diào)整至1 mm 后，能夠提高泵裝置的效率且同時水力性能優(yōu)異，滿足泵站經(jīng)濟(jì)及安全運(yùn)行要求。同時由于泵裝置葉輪外圈間隙泄露損失有限，在調(diào)整葉輪外殼與外圈之間間隙前后其裝置揚(yáng)程特性Hsy=H（Q）無明顯區(qū)別，但是其外圈水力摩擦損失依舊存在且能影響裝置的運(yùn)行效率。結(jié)果說明調(diào)整葉輪外殼與葉輪外圈之間的間隙能夠在不影響全貫流泵流量-揚(yáng)程特性的前提下改變泵裝置的運(yùn)行效率。本文的模型泵裝置最優(yōu)工況點(diǎn)效率為67.28%，比文獻(xiàn)［1］中通過數(shù)值模擬和性能預(yù)測擬合處的全貫流泵裝置的最優(yōu)工況點(diǎn)效率74.65%低了7.37%，主要原因有以下幾點(diǎn)：①模型試驗(yàn)中存在空載損耗，常規(guī)泵空載損耗一般不大于1 N·m 或更小但經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)測試，本次研究中設(shè)計的全貫流泵模裝置空載力矩為4.1 N·m，若在計算裝置效率時扣除空載損耗，效率將進(jìn)一步提升；②全貫流泵裝置有葉輪外圈，存在水力摩擦，影響裝置效率；③葉輪外圈和葉輪外殼之間存有間隙，這將不可避免的產(chǎn)生間隙流進(jìn)而導(dǎo)致間隙泄漏損失，影響裝置的能量特性。后續(xù)如若能通過試驗(yàn)及理論分析求得全貫流泵葉輪外圈水力摩擦損失以及葉輪外圈與葉輪外殼之間的間隙損失，這將對今后全貫流泵裝置的合理設(shè)計具有較大的參考意義。

5 結(jié) 語

（1）龍昆溝北雨水排澇泵站全貫流泵原型泵裝置在葉片安放角固定為+2°時，其最高效率為70.02%；在設(shè)計揚(yáng)程工況下，原型泵裝置的運(yùn)行流量為17.28 m3/s，能夠達(dá)到設(shè)計流量要求，但此時泵裝置效率僅有65.25%，不滿足工程要求的設(shè)計運(yùn)行效率（70%）。

（2）根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，在裝置葉片安放角固定為+2°的條件下，當(dāng)運(yùn)行流量小于13 m3/s 時，隨著原型泵裝置運(yùn)行流量的增大，其臨界汽蝕余量會隨之而逐漸減小，在運(yùn)行流量大于13 m3/s時，隨著原型泵裝置運(yùn)行流量的增大，其臨界汽蝕余量會隨之而逐漸增大。且在任何實(shí)際運(yùn)行工況下下臨界汽蝕余量均遠(yuǎn)小于10 m。因此，在任何實(shí)際運(yùn)行工況下，龍昆溝北雨水排澇泵站的裝置汽蝕余量充裕，裝置因汽蝕而受到損害的概率較小。

（3）全貫流泵裝置在葉片安放角固定為+2°時，隨著揚(yáng)程的增大，其飛逸轉(zhuǎn)速會隨之而逐漸增大。在試驗(yàn)揚(yáng)程為設(shè)計揚(yáng)程的條件下，原型泵裝置的最大飛逸轉(zhuǎn)速為187.5 r/min，即等于1.29 倍的額定轉(zhuǎn)速；在試驗(yàn)揚(yáng)程為最高揚(yáng)程的條件下，原型泵裝置的最大飛逸轉(zhuǎn)速為216 r/min，即等于1.49 倍的額定轉(zhuǎn)速，即表示該泵裝置能夠在水流倒灌的情況下，保證泵站機(jī)組的安全。

（4）調(diào)整模型方案，將葉輪外殼與葉輪外圈之間的間隙從2 mm 調(diào)整至1 mm 后，裝置最高效率提升了3.43%，高揚(yáng)程段提升了4%～7%，低揚(yáng)程段提升了1%～4%，在設(shè)計揚(yáng)程1.73 m 時，水泵運(yùn)行流量保持不變依舊是17.28 m3/s，但泵裝置效率提升至70.01%，能夠達(dá)到龍昆溝北雨水排澇泵站設(shè)計運(yùn)行效率要求，實(shí)現(xiàn)泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；此時，臨界汽蝕余量仍遠(yuǎn)小于其有效汽蝕余量，因此裝置因汽蝕而受到損害的概率仍舊較??；裝置飛逸轉(zhuǎn)速等于1.25 倍的額定轉(zhuǎn)速，所以即使在水流倒灌的情況下，依舊保證泵站機(jī)組的安全。

（5）經(jīng)過物理模型驗(yàn)證和計算對比，全貫流泵裝置尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊且水力性能優(yōu)異，對于低揚(yáng)程大流量泵站具有較高的適用性，可考慮采用。