王 樂 王 豐 鄧迪強

（江陰市璜塘水利工程有限公司，江蘇 江陰 214400）

1 問題

隨著大型泵站工程的發(fā)展及工程管理質(zhì)量的提高，越來越多的專家學者發(fā)現(xiàn)，水泵機組的運行效率、運行工況在泵站實際運行過程中，與模型試驗偏差大。

例如，某大型泵站工程經(jīng)過嚴格的模型試驗和真機現(xiàn)場測試得到：

（1）真機現(xiàn)場測試最優(yōu)效率點揚程從模型試驗的4m 降至3.5m，降幅達到12.5%；

（2）真機測試的最優(yōu)效率從78.78%降至76.72%；

（3）真機最優(yōu)效率點流量從34.45m3/s，降至29.3m3/s，流量偏差達到15%；

（4）真機最優(yōu)效率槳葉角度從-2°向-5°偏移。

上述是某大型泵站的真機測試結(jié)果與模型試驗結(jié)果的對比。另外，還有一些泵站模型試驗結(jié)果較為理想，真機測試時卻出現(xiàn)機組噪聲大、振動加劇、甚至是開機困難等問題。

泵站建成后，現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)往往會與最初模型試驗換算而來的數(shù)據(jù)有一定的出入，隨著大型水利工程的飛速發(fā)展，真機與模型性能偏差矛盾已日益突出。究其原因，大致可以歸納為以下幾點：

（1）泵站模型由泵裝置模型和進、出水壓力管組成，其中泵的葉輪、導(dǎo)葉、壓水室和進、出水流道組成泵裝置模型，通過實際試驗數(shù)據(jù)并通過換算獲去該泵站的水力參數(shù)。模型與現(xiàn)場情況不完全一致，有一定的誤差。

（2）原、模型過流傳動材料很難做到表面粗糙度相等和粗糙度結(jié)構(gòu)相似;原、模型過流流態(tài)不同導(dǎo)致流速不同，過流的水力摩擦系數(shù)也不同; 原、模型泵的容積損失基本不可能完全相似，造成原、模型泵裝置也不可能相似。

（3）凡是生產(chǎn)必有偏差，更不用說大型泵站的建設(shè)這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。建設(shè)過程中包含設(shè)備的制造偏差、土建的施工偏差、設(shè)備的安裝偏差、土建與設(shè)備之間契合的偏差等等，這些都是模型試驗時不能設(shè)想到的。

試驗成果往往很難真實反映實際結(jié)果，泵站裝置對水力參數(shù)實測也相對復(fù)雜，對研究原、模型泵站裝置過流部分也更加困難;由于現(xiàn)在水泵機械制作的精度越來越高，模型試驗的水力參數(shù)已經(jīng)不能準確反映實際。

2 工程應(yīng)用

本著從發(fā)現(xiàn)問題，到分析問題，最后解決問題的研究思路，本項目擬針對定波水利樞紐工程采用數(shù)值模擬與試驗機械相結(jié)合的研究方法，利用三維激光掃描儀對泵裝置進行掃描可以得到三維模型，這是泵站建成后原型的實際數(shù)據(jù)，與設(shè)計值對比可以對泵站的施工過程進行分析評價，著重研究模型和原型泵裝置尺寸誤差引起的性能差別，為提高泵站工程建設(shè)水平提供科學依據(jù)。該項目的研究在大型泵站工程設(shè)計、施工及優(yōu)化運行具有重要的經(jīng)濟效益和社會價值。

針對定波水力樞紐豎井貫流泵裝置進行基于三維激光掃描的泵裝置原模型校驗及現(xiàn)場測試研究。前期已針對定波雙向豎井貫流泵裝置進行了裝置數(shù)值模擬和模型試驗研究。定波水利樞紐工程包括節(jié)制閘和雙向泵站，節(jié)制閘總凈寬48m;泵站為雙向泵站，正向排水、反向引水，設(shè)計總排水流量120m3/s。泵站采用4 臺豎井貫流泵，單機流量30m3/s，節(jié)制閘與泵站采用集中緊湊型的“合建”布置方案。泵站采用直管式出水流道，快速閘門斷流，液壓啟閉機啟閉，配4 臺10kV 同步電動機，單機功率為1600kW，總裝機容量6400kW。定波水利樞紐運行水位和揚程的組合如表1 所示。

表1 泵站運行水位及特征揚程組合

采用高精度數(shù)值模擬方法對定波雙向豎井貫流泵裝置的進出水流道進行優(yōu)化設(shè)計，雙向豎井貫流泵裝置如圖1 所示。通過泵站反向運行對豎井出水流道進行優(yōu)化設(shè)計。以控制尺寸為基礎(chǔ)作為初始方案，以此為基準優(yōu)化了五個方案，從出水流道水力損失的角度進行優(yōu)化方案的比選，最后得到水力性能優(yōu)異的進出水流道方案。經(jīng)過優(yōu)化后總體性能得到了較大的提升，正向運行計算工況點的最高效率為74.53%，反向運行計算工況點最高效率為60.91%。正向運行時，方案五在最大流量工況1.22Q 下效率提升至60.17%，比方案三的57.44%提升2.73%;反向運行時，在30m3/s 流量工況下效率提升至60.91%，比59.87%提升1.0%。反向運行時，方案三根據(jù)適當控制斷面面積的變化，在小流量工況下性能發(fā)揮比較好，但是方案五對于平均運行揚程在1m 左右的泵站表現(xiàn)更為優(yōu)異。

圖1 本項目的技術(shù)路線圖

以最終優(yōu)化得到的方案5 進出水流道方案作為最終設(shè)計方案，泵站為雙向豎井軸流泵裝置，正向進水采用雙向豎井流道進水，出水采用圓變方直管出水流道; 反向雙向豎井流道出水，圓變方直管進水。雙向模型泵采用SZM35 水泵水力模型。輪轂比為0.4，采用4 片葉片，把黃銅材料利用數(shù)控加工成型。進出水流道采用鋼板焊接加工制作，模型泵葉輪室通過觀察窗觀測葉片處的水流和汽蝕。對該泵站豎井貫流泵裝置進行模型試驗測試。

根據(jù)《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗規(guī)范(精密級)》(GB/T 18149-2000)和《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》(SL140-2006)標準，每個葉片安放角必須確保不少于15 點的性能試驗點，按流量保持常數(shù)確定臨界汽蝕余量，確定改變有效NPSH 值至效率下降1%。

能量試驗結(jié)果表明，泵裝置在葉片安放角-4 度下:模型泵裝置正向設(shè)計揚程為3.05m 時，流量為312.62L/s，泵裝置效率達到70.95%，高效區(qū)運行范圍較寬;對應(yīng)原型泵裝置正向揚程3.05m 時，流量為31.26m3/s，略高于設(shè)計流量30m3/s 的運行要求;模型泵最大運行揚程超過4.0m，超過定波水利樞紐雙向泵正向最大揚程3.29m 的運行要求。模型泵裝置反向設(shè)計揚程為1.43m 時，流量為301.64 L/s，泵裝置效率達到57.39%，高效區(qū)運行范圍較寬，對應(yīng)原型泵裝置反向揚程1.43m 時，流量為30.16m3/s，達到泵站運行要求;模型泵最大運行揚程超過4.0m，超過定波水利樞紐雙向泵反向最大揚程2.87m 的運行要求。模型泵及原型泵裝置性能曲線如圖3 所示。

圖2 模型試驗實物圖

圖3 泵裝置正反向綜合特性曲線圖

汽蝕試驗的結(jié)果表明，原型泵裝置在葉片安放角-4 度下:正、反向設(shè)計揚程附近汽蝕性能達到最優(yōu)，臨界必需汽蝕余量處于8m 以下，滿足定波水利樞紐雙向泵正、反向臨界必需汽蝕余量的運行要求。水泵汽蝕圖片如圖4 所示。

圖4 水泵汽蝕性能實物圖

前期的數(shù)值模擬和模型試驗得到了一系列的有用數(shù)據(jù)，進一步挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，為定波樞紐水泵制造安裝打下堅實的基礎(chǔ)。

3 應(yīng)用內(nèi)容

3.1 基于點云數(shù)據(jù)的原型泵裝置3D 模型重構(gòu)

采用本單位新購買的三維手持式便捷掃描儀分別對定波樞紐工程進、出水流道、葉輪室和導(dǎo)葉體外形輪廓進行三維數(shù)據(jù)掃描，得到各過流部件的三維點云數(shù)據(jù)，并與原型泵裝置設(shè)計圖紙進行對比，分析各部件的主要結(jié)構(gòu)尺寸誤差和制造精度。著重探討三維掃描中數(shù)據(jù)的采集方法，使用三維光學掃描儀測量獲得原型泵裝置構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)，研究曲面重構(gòu)及模型重建的方法，建立構(gòu)件的模型，利用商業(yè)CFD 軟件對模型進行模擬計算，得到存在加工誤差條件下的泵裝置能量特性及其內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)。

3.2 定波樞紐原型泵裝置現(xiàn)場測試

針對定波樞紐工程實際運行水位模擬存在加工誤差條件下泵裝置的能量性能，并在該水位條件下分別對原型泵裝置進行流量、揚程及軸功率測試，分析真機運行的動態(tài)能量特性，利用數(shù)值模擬對能量性能的預(yù)測結(jié)果來驗證其有效性，對模型試驗換算的泵裝置性能進行誤差分析，提出基于尺寸誤差的泵裝置模型試驗換算公式的修正系數(shù)。

3.3 基于尺寸偏差的原、模型性能對比分析

針對泵站單機組分別進行準確結(jié)構(gòu)尺寸和誤差尺寸的數(shù)值模擬計算，通過數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)和真機測試結(jié)果對泵裝置原型內(nèi)流情況和特性曲線進行深入的研究，探索內(nèi)流規(guī)律，將原型和模型的尺寸、數(shù)模得到的性能等參數(shù)進行對比分析，得到主要結(jié)構(gòu)尺寸誤差引起的流量降低、工況偏移等不良結(jié)果的影響規(guī)律，揭示加工誤差與原型泵裝置性能曲線之間的規(guī)律，為泵站的安全穩(wěn)定與高效運行提供參考。

4 應(yīng)用意義

本項目擬通過真機試驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究由于尺寸誤差引起的泵站流量下降、工況偏移的關(guān)鍵科學問題，具體研究目標如下：

4.1 探討三維掃描中數(shù)據(jù)的采集方法，研究曲面重構(gòu)及模型重建的方法，建立泵裝置各過流部件的三維模型，利用CFD軟件對模型進行模擬計算，得到存在加工誤差條件下的原型泵裝置能量特性及其內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)。

4.2 利用原型泵裝置性能曲線和模型泵裝置性能曲線的對比，驗證模型試驗換算的泵裝置性能，從尺寸誤差的角度提出泵裝置模型試驗換算公式的修正系數(shù)。

4.3 將模型泵試驗結(jié)果、真機試驗結(jié)果以及CFD 結(jié)果進行對比，得到各過流部件主要結(jié)構(gòu)尺寸誤差引起的流量降低、工況偏移等不良結(jié)果，揭示加工誤差與原型泵裝置性能曲線之間的規(guī)律，為泵站的安全穩(wěn)定與高效運行提供參考。

5 應(yīng)用總結(jié)

5.1 技術(shù)路線

本項目針對定波樞紐工程擬通過真機試驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究基于三維激光掃描的泵裝置原模型校驗及現(xiàn)場測試，具體思路及技術(shù)路線如圖5 所示。

圖5 本項目的技術(shù)路線圖

5.2 應(yīng)用關(guān)鍵點

5.2.1 泵裝置原型三維模型的建立，包括三維激光掃描中構(gòu)件關(guān)鍵點的處理，三維點云數(shù)據(jù)的分析與重構(gòu)。

5.2.2 解決由于真機的加工誤差（包括葉輪、導(dǎo)葉和進出水流道等）引起的過流能力下降、運行工況偏移的關(guān)鍵問題。

6 結(jié)論

6.1 利用三維激光掃描方法針對定波樞紐構(gòu)建泵裝置各過流部件的三維模型，研究形狀不規(guī)則過流部件成型后的檢測方法，提出契合于工程施工條件的允許偏差范圍，對生產(chǎn)、施工過程進行分析評價。

6.2 對三維模型進行分析，利用CFD 進行數(shù)值模擬計算，揭示加工制造誤差與流量下降、工況偏移之間的關(guān)系，建立泵裝置各過流部件加工制造精度與原型泵裝置性能曲線之間的關(guān)系。

6.3 對比原模型的CFD 仿真計算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場測試，分析內(nèi)流規(guī)律及影響結(jié)果的因素，建立基于尺寸誤差考慮的模型泵裝置試驗結(jié)果預(yù)測真機泵裝置能量特性的修正換算數(shù)學模型。