王鐵力，孫云儒，呂玉婷，丁 浩，，楊 帆

（1.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.河海大學(xué)大禹學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

雙向立式泵裝置具有排澇、引水、自排及自灌的4種功能，具有工程投資小、結(jié)構(gòu)簡單、施工安裝檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于我國沿江濱湖地區(qū)。因雙向立式泵裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和匹配方法仍不夠成熟，部分已建的雙向立式泵站因流道型線設(shè)計(jì)不合理，造成泵機(jī)組振動(dòng)、汽蝕［1］，為此，不少學(xué)者針對(duì)雙向立式泵裝置的內(nèi)流及水力特性開展了相關(guān)的研究工作并取得了不少的研究成果；劉超［2-3］等通過CFD軟件對(duì)雙向立式泵裝置的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，明晰了雙向立式泵裝置的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律并預(yù)測了泵裝置的能量性能；金海銀［4］等以江蘇省江邊樞紐泵站的箱涵式雙向立式軸流泵裝置為研究對(duì)象，采用物理模型試驗(yàn)方法對(duì)箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型開展了能量性能、汽蝕性能及飛逸性能試驗(yàn)；張后文［5］等對(duì)樅陽泵站雙向流道進(jìn)行了參數(shù)化建模，并基于lsight多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)對(duì)雙向流道的型線進(jìn)行了優(yōu)化；楊帆［6-7］等利用CFD技術(shù)和物理模型試驗(yàn)分析了雙向立式泵裝置內(nèi)流場及水力性能，給出了不同葉片安放角時(shí)能量性能試驗(yàn)與空化性能試驗(yàn)的泵裝置內(nèi)流脈動(dòng)變化規(guī)律，提出了擴(kuò)散導(dǎo)葉體應(yīng)用于雙向立式泵裝置的思路。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，更多學(xué)者選擇應(yīng)用數(shù)值模擬的方法預(yù)測泵裝置各項(xiàng)性能［8-13］，當(dāng)前對(duì)泵裝置水力性能的研究主要采用數(shù)值模擬技術(shù)，泵裝置物理模型試驗(yàn)具有費(fèi)用高、周期長等缺點(diǎn)，在泵站性能研究方面采用較少，但泵裝置物理模型試驗(yàn)具有數(shù)值模擬無法取代的重要作用。

為了更切實(shí)地明確澡港河泵站擴(kuò)容工程的雙向立式泵裝置的能量性能、空化性能及飛逸特性，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50265—2010）》的要求，對(duì)新建泵站的泵裝置進(jìn)行物理模型試驗(yàn)研究，確保新建泵站的安全可靠運(yùn)行并高效地發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 工況概況

常州市澡港河泵站擴(kuò)容工程是新溝河延伸拓浚工程影響處理工程之一，也是太湖流域武澄錫虞區(qū)重要引排骨干工程澡港河水利樞紐的重要組成部分。澡港河泵站擴(kuò)容工程的泵站采用堤身式結(jié)構(gòu)，具有排澇與引水雙重功能，以排澇為主，該泵站設(shè)計(jì)引水、排澇流量60 m3/s，安裝3臺(tái)立式軸流泵，總裝機(jī)容量3 000 kW，澡港河泵站運(yùn)行水位組合如表1所示，在考慮攔污柵水力損失0.15 m時(shí)，排澇設(shè)計(jì)總揚(yáng)程1.82 m，引水設(shè)計(jì)總揚(yáng)程1.63 m。

表1 澡港河泵站水位組合

澡港河泵站擴(kuò)容工程屬于典型的特低揚(yáng)程大流量泵站，為了確保該泵站的高效安全可靠運(yùn)行，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50265—2010）》的9.2節(jié)要求，對(duì)澡港河泵站擴(kuò)容工程的泵裝置進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。澡港河泵站擴(kuò)容工程泵裝置采用箱涵式雙向流道結(jié)構(gòu)，箱涵式雙向進(jìn)水流道的凈高為1.48 D，長為9.4 D，凈寬為3.0 D；箱涵式雙向出水流道的凈高為1.44 D，長為7.42 D，凈寬為3.0 D。

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 試驗(yàn)對(duì)象及測試系統(tǒng)

泵裝置物理模型試驗(yàn)按歐拉準(zhǔn)則進(jìn)行，設(shè)計(jì)工況時(shí)模型泵裝置雷諾數(shù)Re大于1×106。根據(jù)nD值相等的原則，澡港河擴(kuò)建工程泵站的原型葉輪轉(zhuǎn)速為150 r/min，原型葉輪直徑為2 500 mm，模型泵裝置的葉輪直徑為300 mm，葉輪的轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，葉輪的葉片數(shù)為3片，導(dǎo)葉體的葉片數(shù)為5片。原模型過流幾何相似，原模型進(jìn)、出水流道的幾何比尺均為8.33，模型泵裝置的流道均采用鋼板焊接制作，模型泵及流道的幾何偏差均滿足《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程（SL140—2006）》規(guī)定的允許偏差值要求。

雙向立式軸流泵裝置物理模型試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)流體動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)室的高精度泵站試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，高精度泵站試驗(yàn)臺(tái)為平面封閉循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)由水力循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速采用JC1A型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，揚(yáng)程采用差壓變送器EJA110A測取，流量采用E-mag型DN400電磁流量計(jì)測取，空化試驗(yàn)采用絕對(duì)壓力變送器EJA310A測取。

圖1 高精度泵站試驗(yàn)臺(tái)示意

2.2 測試內(nèi)容及綜合不確定度分析

根據(jù)相似理論，原模型的泵裝置動(dòng)力特性參數(shù)的比尺分別為：揚(yáng)程比尺為1.0，流量比尺為69.44，功率比尺為69.44。澡港河擴(kuò)建工程泵裝置的物理模型試驗(yàn)包括：能量性能試驗(yàn)、空化性能試驗(yàn)和飛逸特性試驗(yàn)。5個(gè)葉片安放角度（-4°、-2°、0°、+2°、+4°）時(shí)泵裝置的能量性能試驗(yàn)，能量性能試驗(yàn)覆蓋澡港河泵站整個(gè)運(yùn)行揚(yáng)程及流量范圍，每個(gè)葉片安放角度的泵裝置能量性能試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)不少于15個(gè)。對(duì)每個(gè)葉片安放角的泵裝置3個(gè)流量工況點(diǎn)進(jìn)行空化性能試驗(yàn)，每個(gè)流量工況的試驗(yàn)采樣點(diǎn)數(shù)不少于10個(gè)?？栈阅茉囼?yàn)保持流量不變，通過對(duì)封閉循環(huán)系統(tǒng)抽真空，逐步減小系統(tǒng)壓力的方法，使泵內(nèi)發(fā)生空化，按效率下降1%確定必需汽蝕余量NPSHre（以水泵葉輪中心為基準(zhǔn)）；測試葉片安放角-4°和+4°兩個(gè)角度時(shí)泵裝置的飛逸特性，飛逸特性試驗(yàn)的反向水頭由輔助泵提供，通過調(diào)節(jié)輔助泵的轉(zhuǎn)速來改變反作用水頭，利用測功扭矩儀和電磁流量計(jì)測量不同水頭下水泵穩(wěn)定反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和倒泄流量。泵裝置物理模型各項(xiàng)性能試驗(yàn)均按照中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程（SL140—2006）》的要求進(jìn)行。

泵裝置能量性能試驗(yàn)的綜合不確定度Eη包括系統(tǒng)不確定度（Eη）S和隨機(jī)不確定度（Eη）r，系統(tǒng)不確定度為各單項(xiàng)系統(tǒng)不確定度的方和根［13-14］，即

式中：EQ為流量測量的系統(tǒng)不確定度，為±0.2%；EH為凈揚(yáng)程測量的系統(tǒng)不確定度，為±0.1%；EM為轉(zhuǎn)矩測量的系統(tǒng)不確定度，為±0.2%；En為轉(zhuǎn)速測量的系統(tǒng)不確定度，為±0.1%。選取葉片安放角0°時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置能量性能進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，共測取20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算隨機(jī)不確定度，隨機(jī)不確定度的計(jì)算式參照文獻(xiàn)［13］中所示，泵裝置能量試驗(yàn)隨機(jī)不確定度為

式中：t0.95（N-1）為對(duì)應(yīng)于0.95置信度和（N-1）個(gè)自由度的置信系數(shù)，在該試驗(yàn)中，t0.95（N-1）為1.7291；N為測量次數(shù)；為效率平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；為效率平均值。

泵裝置物理模型能量性能試驗(yàn)的綜合不確定度為

澡港河泵站擴(kuò)容工程的泵裝置性能試驗(yàn)的綜合不確定度滿足《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程（SL140—2006）》的精度要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 能量性能試驗(yàn)

澡港河泵站擴(kuò)容工程的雙向立式泵裝置物理模型能量性能試驗(yàn)的揚(yáng)程在0～4 m范圍內(nèi)，5個(gè)葉片安放角時(shí)雙向立式軸流泵裝置最優(yōu)工況的能量性能參數(shù)如表2所示，泵裝置物理模型的綜合特性曲線如圖2所示。澡港河泵站擴(kuò)容工程的泵裝置最高效率達(dá)70.1%，此時(shí)泵裝置揚(yáng)程為2.51 m，流量為211 L/s，葉片安放角度為-4°，對(duì)應(yīng)原型泵裝置機(jī)組的流量為15.75 m3/s，表明在特低揚(yáng)程澡港河泵站擴(kuò)容工程的機(jī)組具有較高的效率。在泵裝置揚(yáng)程1.7～3.5 m范圍內(nèi)，葉片安放角在-4°～0°之間泵裝置的效率均超過66%，在葉片安放角-4°時(shí)，泵裝置揚(yáng)程被高效區(qū)覆蓋的范圍最大。在相同揚(yáng)程時(shí)，隨著葉片安放角的增大，泵裝置的最高效率逐漸降低。在相同葉片安放角時(shí)，隨著泵裝置流量的減小，揚(yáng)程呈逐漸下降的趨勢。根據(jù)水泵相似律換算，澡港河泵站擴(kuò)容工程原型泵機(jī)組在葉片安放角0°、設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.82 m時(shí)，流量為19.67 m3/s，裝置效率為62.33%，流量略小于設(shè)計(jì)流量；在葉片安放角+2°、設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.82 m時(shí)，流量為21.49 m3/s，效率為58.38%，流量滿足設(shè)計(jì)流量20 m3/s的要求，但裝置效率偏低，綜合考慮，澡港河泵站擴(kuò)容工程的原型機(jī)組的葉片安放角應(yīng)設(shè)置為+1°，則在設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.82 m時(shí)，流量為20.56 m3/s，效率為60.55%，此時(shí)在最高揚(yáng)程3.31 m時(shí)，流量為16.42 m3/s，泵裝置效率為64.6%，原型機(jī)組各項(xiàng)能量性能參數(shù)均滿足泵站設(shè)計(jì)要求和《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50265—2010）》中對(duì)泵裝置效率的技術(shù)要求。

圖2 澡港河泵站擴(kuò)容工程雙向立式泵裝置模型綜合性能曲線

表2 雙向立式軸流泵裝置最優(yōu)工況參數(shù)

3.2 空化性能試驗(yàn)

不同葉片安放角時(shí)模型泵裝置的必需汽蝕余量曲線如圖5所示，不同特征揚(yáng)程時(shí)模型泵裝置必需汽蝕余量如圖6所示。在空化試驗(yàn)的揚(yáng)程范圍內(nèi)，相同葉片安放角時(shí)，隨著揚(yáng)程的增加，必需汽蝕余量逐漸增大；在相同揚(yáng)程時(shí)，隨著葉片安放角度的增大，必需汽蝕余量逐漸增大，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.82 m時(shí)，葉片安放角-2°增加了4°，必需汽蝕余量相比增加了8.53%，效率降低了5.79%；在最大揚(yáng)程3.31 m時(shí)，葉片安放角-2°增加了4°，必需汽蝕余量相比增加了12.8%，效率降低了4.8%。在葉片安放角+1°，設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.82 m時(shí)，必需汽蝕余量為4.06 m，在最高揚(yáng)程3.31 m時(shí)，必需汽蝕余量為5.06 m。

根據(jù)水泵的安裝高程計(jì)算式

式中：Pa、Pv分別為當(dāng)?shù)卮髿鈮汉退钠瘔毫Γ籯為安全系數(shù)，k=1.1～1.2；NPSH,re為必需汽蝕余量。經(jīng)計(jì)算可知，澡港河泵站擴(kuò)容工程在運(yùn)行的揚(yáng)程范圍內(nèi)水泵安裝高程均大于零，表明水泵可安裝于水面之上，水泵的汽蝕性能較好，但對(duì)于該泵站采用的軸流泵而言，為便于啟動(dòng)，葉輪仍需淹沒于水面之下，則澡港河泵站擴(kuò)容工程的雙向立式泵裝置在運(yùn)行揚(yáng)程范圍內(nèi)，必需汽蝕余量均可滿足最低淹沒深度的要求，泵裝置空化性能良好。

圖3 不同葉片安放角時(shí)模型泵裝置必需汽蝕余量

圖4 不同特征揚(yáng)程時(shí)模型泵裝置必需汽蝕余量

3.3 飛逸特性試驗(yàn)

葉片安放角+4°和-4°時(shí)，反向水頭與模型泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速的曲線如圖5所示。在相同葉片安放角時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速隨著反向水頭的增大而增大，但達(dá)到某一反向水頭時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速趨于定值。根據(jù)泵裝置飛逸性能試驗(yàn)得到的單位飛逸轉(zhuǎn)速可換算得到不同揚(yáng)程時(shí)原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速。原型泵飛逸轉(zhuǎn)速的計(jì)算式如下：

圖5 模型泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速性能曲線

式中：n R,P為原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速；n1,R為單位飛逸轉(zhuǎn)速；HP為原型泵揚(yáng)程；DP為原型泵葉輪直徑，原型泵葉輪直徑為2.5 m。

泵裝置的單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片安放角的減小而增大，經(jīng)換算到原型不同反向水頭時(shí)的水泵飛逸轉(zhuǎn)速如表3所示，經(jīng)換算后獲得的原型泵飛逸轉(zhuǎn)速，是確定水泵零部件強(qiáng)度的重要依據(jù)，在葉片安放角-4°，最大揚(yáng)程3.31 m時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速為223.6 r/min，為水泵機(jī)組額定轉(zhuǎn)速150 r/min的1.49倍，建議電機(jī)制造廠家按1.5倍額定轉(zhuǎn)速校驗(yàn)機(jī)組的安全性。

表3 原型的澡港河泵站擴(kuò)容工程原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速

4 結(jié)論

（1）澡港河泵站擴(kuò)容工程的雙向立式軸流泵裝置最高效率為70.1%，此時(shí)泵裝置流量為211 L/s，揚(yáng)程為2.51 m。在葉片安放角+1°，設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.82 m時(shí)，泵裝置原機(jī)組流量為20.56 m3/s，必需汽蝕余量為4.06 m，在最高揚(yáng)程3.31 m時(shí)，泵裝置原機(jī)組流量為16.42 m3/s，必需汽蝕余量為5.06 m。泵裝置原型機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）泵裝置的單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片安放角的減小而增大。在葉片安放角-4°，最大揚(yáng)程3.31 m時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速為223.6 r/min，為水泵機(jī)組額定轉(zhuǎn)速150 r/min的1.49倍，建議電機(jī)制造廠家按1.5倍額定轉(zhuǎn)速校驗(yàn)機(jī)組的安全性，飛逸性能滿足要求。雙向立式軸流泵裝置結(jié)構(gòu)在灌排雙向運(yùn)行泵站中應(yīng)用具有良好的水力性能，澡港河泵站擴(kuò)容工程自2020年5月9日運(yùn)行至今，機(jī)組無異常振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生，為常州市主城區(qū)河道暢流活水再添動(dòng)力。