秦鐘建，徐 磊

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，合肥 230601；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

0 引 言

引江濟(jì)淮工程地跨皖豫兩省，涉及江淮兩大水系，是國務(wù)院要求加快推進(jìn)建設(shè)的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三大段落。江水北送段中承擔(dān)皖豫城鎮(zhèn)供水任務(wù)的西淝河列入主體工程，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223.8 km。朱集站是江水北送西淝河輸水線路線5 級(jí)提水泵站中的第4 級(jí)泵站。朱集站設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.53 m、最高揚(yáng)程4.95 m、最低揚(yáng)程1.93 m，單泵設(shè)計(jì)流量18.33 m3∕s，安裝葉輪直徑2.35 m、額定轉(zhuǎn)速為166.7 r∕min 的立式軸流泵。立式軸流泵裝置具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、安裝檢修方便、投資節(jié)省和制造技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，適用于低揚(yáng)程、年運(yùn)行時(shí)間較長的泵站，在我國大型泵站中應(yīng)用廣泛［1-3］。

泵站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50265-2010）［4］中提出：重要的大型泵站宜采用三維流動(dòng)數(shù)值計(jì)算分析，并應(yīng)進(jìn)行泵裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)證。流道三維流動(dòng)優(yōu)化數(shù)值計(jì)算分析是提高泵裝置水力性能的有效方法［5-7］，泵裝置模型試驗(yàn)是確認(rèn)泵裝置水力性能的重要手段［8-10］。文獻(xiàn)［10-12］根據(jù)工程建設(shè)要求，對(duì)各站泵裝置模型進(jìn)行了能量性能、空化性能和飛逸特性試驗(yàn)；文獻(xiàn)［13］對(duì)淮安一站立式軸流泵裝置模型的能量性能、空化性能、飛逸特性和壓力脈動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，并換算得到了原型泵裝置特性；文獻(xiàn)［14］針對(duì)劉老澗抽水站設(shè)計(jì)需要，對(duì)兩副水泵模型的泵裝置試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。已有泵裝置模型試驗(yàn)主要是針對(duì)各個(gè)泵站的具體情況進(jìn)行了水力特性試驗(yàn)，并將模型試驗(yàn)結(jié)果換算至原型，為泵站運(yùn)行提供了很好的指導(dǎo)作用。但是，已有研究對(duì)泵裝置試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析的較少，對(duì)泵裝置性能與相應(yīng)水泵模型性能的比較、不同工況時(shí)泵裝置發(fā)生初始空化與效率下降1%時(shí)空化之間的關(guān)系等問題還需進(jìn)一步研究，這些問題對(duì)指導(dǎo)類似泵站泵裝置水力設(shè)計(jì)具有重要的意義。

為了使揚(yáng)程較低的朱集站能更好地發(fā)揮在引江濟(jì)淮工程中的調(diào)水作用，檢驗(yàn)朱集站基于三維數(shù)值模擬的進(jìn)出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)研究工作的實(shí)際效果，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TJ04-ZL-06［15］與經(jīng)過優(yōu)化水力設(shè)計(jì)的進(jìn)、出水流道組成泵裝置，對(duì)泵裝置模型的水動(dòng)力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得了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，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步地分析，為朱集站的水力設(shè)計(jì)和建成后的運(yùn)行管理提供了依據(jù)，也為類似立式軸流泵裝置優(yōu)化水力設(shè)計(jì)研究與穩(wěn)定運(yùn)行管理提供了參考。

1 裝置模型概況

為保證引江濟(jì)淮工程朱集泵站安全、穩(wěn)定和高效率運(yùn)行，采用三維湍流模擬方法對(duì)該站泵裝置進(jìn)、出水流道進(jìn)行了水力優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。朱集站流道控制參數(shù)如下：肘形進(jìn)水流道的流道高度為1.83Dp（Dp為水泵葉輪直徑，下同）、流道寬度為2.34 Dp、流道長度為5.47 Dp，直管式出水流道寬度為2.34 Dp、流道長度為8.6 Dp，進(jìn)出水流道控制尺寸取值合理［16］。在此基礎(chǔ)上，對(duì)進(jìn)水流道頂板仰角、流道斷面由矩形漸變?yōu)閳A形的圓心軌跡線和流道形線進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整得到了進(jìn)水流道優(yōu)化方案，對(duì)出水流道斷面由圓形漸變?yōu)榫匦蔚膱A心軌跡線和流道平面擴(kuò)散形線進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整得到了出水流道優(yōu)化方案，進(jìn)、出水流道的流場(chǎng)圖示于圖1。由流場(chǎng)圖可以看到，肘形進(jìn)水流道內(nèi)水流轉(zhuǎn)向有序、收縮均勻，直管式出水流道內(nèi)水流轉(zhuǎn)向有序、擴(kuò)散平緩均勻。經(jīng)優(yōu)化得到的朱集泵站肘形進(jìn)水流道和直管式出水流道設(shè)計(jì)流量的流道水頭損失分別為0.086 m 和0.272 m［17］，流道水頭損失小，水力性能優(yōu)異。

圖1 朱集站泵裝置進(jìn)、出水流道流場(chǎng)圖Fig.1 Flow fields of inlet and outlet conduit in pump system of Zhuji Pumping Station

朱集站裝置模型由進(jìn)水流道、水泵葉輪、導(dǎo)葉和出水流道裝配而成，水泵模型采用TJ04-ZL-06 軸流泵水力模型，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)3，導(dǎo)葉片數(shù)6，輪轂比為0.4，模型泵葉輪直徑Dm=0.3 m，葉片外緣間隙0.15 mm，泵裝置模型比例尺為1∶7.833，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為nm=1 305.8 r∕min。該站泵裝置模型主要尺寸如圖2所示。

圖2 朱集站泵裝置模型尺寸圖Fig.2 Dimension of pump system model of Zhuji Pumping Station

朱集站泵裝置模型試驗(yàn)在江蘇大學(xué)水泵綜合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，按文獻(xiàn)［18］的要求進(jìn)行了能量、空化、飛逸和壓力脈動(dòng)等性能試驗(yàn)，模型泵裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3 所示。該試驗(yàn)臺(tái)的效率測(cè)試綜合不確定度優(yōu)于±0.3%。泵裝置模型的進(jìn)、出水流道采用鋼板焊接制作，模型泵葉輪室設(shè)觀察窗，以觀察葉片處的水流和空蝕現(xiàn)象；在葉輪室進(jìn)口、葉輪室出口和導(dǎo)葉體出口分別設(shè)置了壓力脈動(dòng)傳感器，用于測(cè)量泵裝置壓力脈動(dòng)變化規(guī)律；為了滿足流道壁面粗糙度相似的要求，鋼制流道內(nèi)壁加涂環(huán)氧樹脂層。

圖3 模型泵裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Testing site of pump system model

2 能量與空化特性

2.1 能量特性

泵裝置模型試驗(yàn)共測(cè)試了7 個(gè)葉片安放角度（+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°、-8°）的能量性能，能量性能測(cè)試按原模型等揚(yáng)程原則進(jìn)行，為保證測(cè)試過程穩(wěn)定及準(zhǔn)確，對(duì)于馬鞍形區(qū)采用降速方法測(cè)試再換算至額定轉(zhuǎn)速1 305.8 r∕min 時(shí)的數(shù)值，泵裝置能量特性曲線如圖4 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，泵裝置在葉片角度為+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°和-8°時(shí)的最高效率分別為77.57%、77.93%、78.19%、78.26%、78.33%、78.29%、和77.83%。泵裝置模型整體最高效率出現(xiàn)在葉片角度-4°，達(dá)到78.33%，對(duì)應(yīng)的流量和泵裝置揚(yáng)程分別為276.6 L∕s和3.91 m。試驗(yàn)結(jié)果表明朱集站進(jìn)出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)研究工作取得了令人滿意的效果。

根據(jù)本次模型試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)［15］，通過相似律換算至Dm=0.3 m、nm=1 305.8 r∕min時(shí)的特性參數(shù)，朱集站泵裝置模型與水泵模型TJ04-ZL-06 能量性能曲線的比較示于圖4，朱集站泵裝置模型與水泵模型TJ04-ZL-06 不同葉片角度最優(yōu)工況點(diǎn)參數(shù)的比較列于表1。

圖4 泵裝置模型與水泵模型TJ04-ZL-06能量性能曲線比較Fig.4 Comparison of energy performance curve between pump system model and pump model

表1 泵裝置模型與水泵模型TJ04-ZL-06最優(yōu)工況點(diǎn)參數(shù)的比較Tab.1 Comparison of parameters on optimum operating condition between pump system model and pump model

比較結(jié)果表明：泵裝置模型與水泵模型TJ04-ZL-06 能量特性曲線的線形相近、變化趨勢(shì)相同，但同一個(gè)葉片角度泵裝置的流量小于泵段的流量，兩者在流量軸方向的位置相差為2°左右，兩者的最高效率值相差約7%。該試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)［16，19，20］得到的結(jié)論基本一致。

2.2 空化特性

泵裝置模型的空化性能試驗(yàn)采用定流量的能量法，每個(gè)葉片角度取5 個(gè)不同的流量點(diǎn)進(jìn)行空化試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)每個(gè)點(diǎn)的流量保持常數(shù)，逐漸降低泵進(jìn)口壓力，取泵裝置模型效率較其性能點(diǎn)低1%的有效空化余量作為臨界空化余量［18］。朱集站泵裝置模型各個(gè)葉片安放角度（+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°、-8°）的臨界空化余量曲線如圖5所示。

圖5 泵裝置模型Q～NPSH曲線（nm=1 305.8 r/min，Dm=0.30 m）Fig.5 Curve between Q and NPSH of pump system model（nm=1 305.8 r/min，Dm=0.30 m）

試驗(yàn)結(jié)果表明：①泵裝置同一葉片角度臨界空化余量與流量的關(guān)系為開口向上的曲線，最優(yōu)工況點(diǎn)附近的臨界空化余量最小；②泵裝置臨界空化余量隨著葉片角度的減小而下降；③在各揚(yáng)程均滿足設(shè)計(jì)流量Q=300 L∕s 的要求，泵裝置最大揚(yáng)程4.95 m、葉片角度+2°時(shí)的空化余量臨界值約為8.83 m，泵裝置設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.53 m、葉片角度-2°時(shí)的空化余量臨界值約為6.32 m，泵裝置最低揚(yáng)程1.93 m、葉片角度-6°時(shí)的空化余量臨界值為5.48 m；④經(jīng)過計(jì)算復(fù)核，朱集站水泵葉輪中心安裝于泵站進(jìn)口最低水位以下3.5 m，滿足水泵最小淹沒深度的要求。

在進(jìn)行泵裝置空化試驗(yàn)時(shí)，為了更好地研究泵裝置模型的空化性能，采用了逐步降低水泵進(jìn)口能量的方法，并在此過程中采用閃頻儀觀察葉輪葉片表面空化的初生和發(fā)展。以葉片角度-2°為例，在泵裝置揚(yáng)程4.99 和3.71 m 時(shí)，觀察到初生空化氣泡首先出現(xiàn)在葉片背面和葉頂間隙靠近進(jìn)口的區(qū)域如圖6所示，泵裝置效率下降1%時(shí)產(chǎn)生的臨界空化泡如圖7 所示；在泵裝置揚(yáng)程1.87 m 時(shí)，觀察到初生空化泡首先出現(xiàn)在葉片工作面靠近進(jìn)口的區(qū)域如圖8（a）所示，效率下降1%時(shí)產(chǎn)生的空泡現(xiàn)象如圖8（b）所示。

圖6 高揚(yáng)程工況葉片初生空化泡Fig.6 Initial cavitation bubbles on blade under high head conditions

圖7 高揚(yáng)程工況效率下降1%時(shí)葉片空化泡Fig.7 Cavitation bubbles on blade when efficiency drops by 1%under high head conditions

由葉片角度-2°時(shí)的空化試驗(yàn)觀察可知：在泵裝置揚(yáng)程4.99和3.71 m 運(yùn)行工況下，水泵葉片表面初生空泡產(chǎn)生在葉片背面和葉頂間隙處，此時(shí)空化余量值分別為14.63 和14.54 m，如圖6所示；隨著進(jìn)口能量的降低，當(dāng)效率下降1%時(shí)的臨界空化余量分別為7.97 和6.32 m 時(shí)，葉片背部和葉頂間隙處的空化泡區(qū)域面積增加較快，如圖7 所示；在泵裝置揚(yáng)程1.87 m 運(yùn)行工況下，水泵葉片初生空化泡產(chǎn)生在葉片工作面，其空化余量值為7.85 m，如圖8（a）所示；效率下降1%時(shí)的臨界空化余量值為6.98 m，葉片工作面的空化泡也比較明顯，如圖8（b）所示。不同工況時(shí)初生空化值與臨界空化值比較如表2所示。

表2 不同工況時(shí)初生空化值與臨界空化值對(duì)比Tab.2 Comparison of initial cavitation value and critical cavitation value under different operating conditions

圖8 低揚(yáng)程工況葉片工作面初生和效率下降1%時(shí)的空化泡Fig.8 Cavitation bubbles on blade of initial and efficiency drops by 1%under low head condition

從表2可知：在泵裝置揚(yáng)程4.99和3.71 m工況，當(dāng)空化余量值是臨界空化余量值約2倍時(shí)，空化泡就已在葉片背面出現(xiàn)，主要原因是由于揚(yáng)程較高，葉頂間隙泄漏渦的影響較明顯，導(dǎo)致初生空泡很早便出現(xiàn)，這里主要是間隙空化的體現(xiàn)；而在泵裝置揚(yáng)程1.87 m 工況，初生空化泡出現(xiàn)時(shí)的空化余量值與臨界空化余量值比較接近時(shí)，但空化泡出現(xiàn)在葉片工作面，主要原因是由于水泵工作揚(yáng)程低，葉片工作面和背面的壓力差較小，葉頂間隙泄漏渦不明顯，同時(shí)由于入流角產(chǎn)生負(fù)沖角，在葉片工作面的入口處產(chǎn)生壓力降低，從而產(chǎn)生空化泡，這里主要是翼型空化的體現(xiàn)。

綜上所述，適當(dāng)增加水泵最小淹沒深度是有利于提高水泵的抗空化性能，同時(shí)空化試驗(yàn)中觀察到葉片表面出現(xiàn)的空化泡及空化余量值對(duì)葉片的空蝕和機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響有待進(jìn)一步通過機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。

3 瞬態(tài)動(dòng)力特性

3.1 飛逸特性

通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的切換，使水泵運(yùn)行系統(tǒng)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行了7 個(gè)葉片角度不同揚(yáng)程工況下模型泵的飛逸轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)，其單位飛逸轉(zhuǎn)速及相應(yīng)的原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速見表3。由表3可知模型泵的最大飛逸轉(zhuǎn)速發(fā)生在葉片安放角-6°時(shí)，其最大單位飛逸轉(zhuǎn)速值312 r∕min，相應(yīng)原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速為295 r∕min，是電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的166.7 r∕min的1.77倍。

表3 朱集站泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of runaway speed of pump system of Zhuji Pumping Station

朱集站泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果表明：考慮最不利情況，按最高凈揚(yáng)程計(jì)算原型泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速1.54～1.77 倍之間。當(dāng)泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速較高、飛逸時(shí)間較長時(shí)，可能導(dǎo)致水泵軸承系統(tǒng)磨損嚴(yán)重、引起聯(lián)軸器螺栓松動(dòng)，泵內(nèi)流動(dòng)易出現(xiàn)水力不穩(wěn)定導(dǎo)致過流部件損壞，對(duì)泵機(jī)組設(shè)備造成損害［21］。因此，在泵機(jī)組設(shè)計(jì)制造時(shí)，需要根據(jù)朱集泵站不小于額定轉(zhuǎn)速1.77 倍的最大飛逸轉(zhuǎn)速對(duì)水泵和電動(dòng)機(jī)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分機(jī)械應(yīng)力需按最大飛逸轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算校核［22，23］，以保證電動(dòng)機(jī)滿足能承受機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛的變形小于氣隙值的超速設(shè)計(jì)要求。

3.2 壓力脈動(dòng)

采用壓力脈動(dòng)試驗(yàn)用高頻壓力傳感器對(duì)葉輪室進(jìn)口處測(cè)點(diǎn)P1、葉輪室出口處測(cè)點(diǎn)P2、導(dǎo)葉體出口處測(cè)點(diǎn)P3的壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位置示于圖9。采用97%置信度的雙幅值分析方法對(duì)測(cè)得的水壓力脈動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形圖進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。葉片安放角-2°泵裝置揚(yáng)程為1.97、3.53和4.92 m 時(shí)所測(cè)得的壓力脈動(dòng)時(shí)域及頻域曲線分別見圖10、圖11和圖12。

圖9 壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.9 Pressure fluctuation measuring point position

圖10 泵裝置揚(yáng)程1.97 m時(shí)壓力脈動(dòng)試驗(yàn)時(shí)域和頻域圖Fig.10 Time domain and frequency domain diagrams of pressure pulsation when pump system head is 1.97 m

圖11 泵裝置揚(yáng)程3.53 m時(shí)壓力脈動(dòng)試驗(yàn)時(shí)域和頻域圖Fig.11 Time domain and frequency domain diagrams of pressure pulsation when pump system head is 3.53 m

泵裝置模型試驗(yàn)的水泵轉(zhuǎn)速為1 305.8 r∕min，水泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為21.8 Hz，葉片頻率為65.4 Hz。從壓力脈動(dòng)頻譜圖可以看出：①葉輪室進(jìn)口P1 點(diǎn)和出口P2 點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值較大者出現(xiàn)的頻率為21.8、65.4 和121.8 Hz，均出現(xiàn)在水泵軸頻率或葉片頻率的整數(shù)倍處，葉輪室出口處的壓力脈動(dòng)幅值較進(jìn)口處大，主要是由于旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片與固定的導(dǎo)葉產(chǎn)生的動(dòng)靜干涉所致［24］；②導(dǎo)葉體出口P3 點(diǎn)的壓力脈動(dòng)在泵裝置揚(yáng)程1.97 m 和3.53 m 頻譜圖中21.8 Hz 和65.4 Hz 的壓力脈動(dòng)幅值較大，在泵裝置揚(yáng)程4.92 m 頻譜圖中導(dǎo)葉體出口處壓力脈動(dòng)幅值較小且水泵軸頻率整數(shù)倍處的壓力脈動(dòng)幅值也不明顯。

4 結(jié)論與建議

（1）引江濟(jì)淮工程朱集站泵裝置模型最優(yōu)工況點(diǎn)位于葉片角度-4°，泵裝置效率達(dá)到78.33%，對(duì)應(yīng)的泵裝置模型流量和揚(yáng)程分別為276.6 L∕s和3.91 m，泵裝置能量性能優(yōu)異，表明朱集站進(jìn)出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)研究工作取得了令人滿意的效果。

（2）在滿足設(shè)計(jì)流量要求的前提下，葉片角度-2°時(shí)泵裝置設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.53 m 時(shí)的臨界空化余量臨界值為6.32 m，滿足泵裝置安全運(yùn)行的要求。泵裝置模型進(jìn)口壓力為臨界空化余量值時(shí)，觀察到葉片工作面或背面已經(jīng)出現(xiàn)了較大面積的空化泡區(qū)域；特別對(duì)于空化泡出現(xiàn)在葉片工作面的低揚(yáng)程、大流量工況，對(duì)水泵葉片具有較強(qiáng)的破壞性，應(yīng)避開此角度運(yùn)行，建議低揚(yáng)程工況時(shí)采用較小葉片角度運(yùn)行。

（3）泵裝置模型飛逸特性試驗(yàn)結(jié)果表明，泵裝置最高揚(yáng)程時(shí)原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為295 r∕min，是額定轉(zhuǎn)速的1.77 倍，在水泵和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)時(shí)需滿足該超速設(shè)計(jì)的要求，以保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

（4）水壓力脈動(dòng)的主頻主要為水泵的葉頻、軸頻及其倍頻，最大脈動(dòng)幅值主要出現(xiàn)在水泵葉輪室的出口處，主要為轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪葉片與固定的導(dǎo)葉產(chǎn)生的動(dòng)靜干涉所致，不會(huì)對(duì)水泵裝置的運(yùn)行造成額外影響，表明流道設(shè)計(jì)和泵裝置性能正常。對(duì)于揚(yáng)程較低的朱集站，需要注意泵體結(jié)構(gòu)的固有頻率避開水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的軸頻、葉頻及其倍頻，以避免影響泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

朱集站泵裝置模型的能量特性、空化特性、飛逸特性及壓力脈動(dòng)特性符合相關(guān)規(guī)程和泵站安全高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。