吉慶偉，李進(jìn)東，林智康，袁 堯，楊 帆

（1.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；3.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

1 問(wèn)題的提出

立式軸流泵裝置適用于大流量、低揚(yáng)程場(chǎng)合，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)。在我國(guó)農(nóng)業(yè)排灌、城市給排水以及南水北調(diào)工程中已得到廣泛運(yùn)用，我國(guó)已建的300 多座大型泵站中，大部分采用該泵型。目前，不少學(xué)者已對(duì)泵裝置物理模型展開相關(guān)試驗(yàn)研究工作，主要研究?jī)?nèi)容集中于泵裝置能量性能試驗(yàn)的比選分析[1-4]，泵裝置內(nèi)流脈動(dòng)及空化性能的試驗(yàn)分析[5-8]，泵裝置的葉輪選型及馬鞍區(qū)的模型試驗(yàn)分析[9-10]，以具體泵站工程為背景開展的模型泵裝置效率驗(yàn)證分析[11-13]。陸偉剛等[1]通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)前置豎井貫流泵裝置的外特性并提出改進(jìn)措施。楊帆等[6-7]采用在進(jìn)水流道出口設(shè)置脈動(dòng)傳感器的方法，研究軸流泵裝置進(jìn)水流道出流壓力脈動(dòng)信號(hào)的能量及頻譜特征并進(jìn)行分析；采用在出水流道布置壓力傳感器和水聽器的試驗(yàn)方法，研究分析軸流泵裝置在不同轉(zhuǎn)速、不同流量時(shí)出水流道內(nèi)流脈動(dòng)及流動(dòng)噪聲的時(shí)頻特性，明晰立式軸流泵裝置出水流道內(nèi)流脈動(dòng)及流動(dòng)噪聲的變化規(guī)律。謝傳流[10]等通過(guò)軸流泵裝置物理模型試驗(yàn)，對(duì)比分析3 副軸流泵葉輪的能量性能，更加合理地優(yōu)選出適合泵站運(yùn)行的水泵葉輪。孫丹丹[11]等以徐州市睢寧縣凌城泵站改造為背景，對(duì)凌城泵站立式軸流泵裝置進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，檢驗(yàn)該泵裝置的水力性能。

為保證泗陽(yáng)二站加固改造成功，水泵選型合理、水力性能優(yōu)越，確保泗陽(yáng)二站改造工程建成后在運(yùn)行范圍內(nèi)能夠安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，本文對(duì)泗陽(yáng)二站改造工程立式軸流泵裝置進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論與對(duì)比分析，對(duì)其他采用立式軸流泵裝置的工程有一定參考作用。

2 工程概況

泗陽(yáng)二站位于江蘇省泗陽(yáng)縣，屬于江蘇省淮水北調(diào)第一梯級(jí)和江水北調(diào)第四梯級(jí)。該泵站主要作用是抽引由二河閘下泄的淮水或由淮陰站轉(zhuǎn)送的江水，以滿足泗陽(yáng)以北徐淮地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活及中運(yùn)河航運(yùn)用水的需要，同時(shí)該泵站還可利用上游來(lái)水發(fā)電，工程安全極其重要。泗陽(yáng)二站自建成以后，經(jīng)20 多年運(yùn)行，加上水情和工情變化，原泵站的水泵揚(yáng)程偏高，導(dǎo)致現(xiàn)有泵裝置常偏離高效區(qū)運(yùn)行。為解決該泵站偏離高效區(qū)的技術(shù)難題，在CFD 數(shù)值模擬對(duì)比分析3 副水力模型的水力性能基礎(chǔ)上[14]，本文對(duì)優(yōu)選的水力模型TJ04-ZL-02 進(jìn)行泵裝置物理模型試驗(yàn)。

泗陽(yáng)二站為堤身式泵房結(jié)構(gòu)，泵站設(shè)計(jì)流量66.00 m3/s，單泵設(shè)計(jì)流量33.00 m3/s。在計(jì)及攔污柵和河道損失0.30 m 時(shí)，泵站設(shè)計(jì)最大揚(yáng)程6.80 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程6.30 m，設(shè)計(jì)最小揚(yáng)程2.80 m，平均揚(yáng)程5.55 m。泵站采用肘形進(jìn)水流道和虹吸式出水流道，安裝2.8ZLQ-7.0 液壓全調(diào)節(jié)軸流泵，配套TL2800-40/3250 立式同步電動(dòng)機(jī)，總裝機(jī)容量5 600 kW，葉輪直徑2 950 mm，轉(zhuǎn)速136 r/min。泗陽(yáng)二站泵房剖面見圖1。

圖1 泗陽(yáng)二站泵房剖面圖

3 模型試驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

3.1 模型試驗(yàn)裝置

泗陽(yáng)二站加固改造的泵裝置物理模型采用TJ04-ZL-02 水力模型，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速1 341 r/min。葉輪名義直徑300 mm，葉片數(shù)為4，葉頂間隙控制在0.2 mm 以內(nèi)，導(dǎo)葉體的葉片數(shù)為7。葉輪采用銅質(zhì)材料加工成型，導(dǎo)葉體采用鋼質(zhì)材料焊接成型。肘形進(jìn)水流道和虹吸式出水流道均采用5 mm厚的鋼板焊接加工制作成型，加工精度及尺寸允許偏差均滿足SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》要求，流道內(nèi)表面磨光噴聚氨酯漆，原型和模型流道滿足阻力相似。泵裝置物理模型見圖2。

圖2 立式軸流泵裝置物理模型圖

3.2 測(cè)試內(nèi)容與方法

泗陽(yáng)二站泵裝置物理模型試驗(yàn)按照SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行，試驗(yàn)內(nèi)容主要有：①6 個(gè)葉片安放角（+6°、+4°、+2°、0°、-2°和-4°） 的 立 式 軸 流泵裝置能量性能試驗(yàn)，每個(gè)葉片安放角的能量性能數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不少于15 個(gè)。②5 個(gè)葉片安放角（+4°、+2°、0°、-2°和-4°）的立式軸流泵裝置空化性能試驗(yàn)。臨界空化余量的確定按照流量保持常數(shù)，改變有效汽蝕余量NPSHa值至效率下降1%，每個(gè)葉片安放角測(cè)試5 個(gè)流量工況點(diǎn)。③測(cè)試3 個(gè)葉片安放角（+6°、+4°和-4°）的模型泵裝置飛逸特性參數(shù)。通過(guò)切換試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)，調(diào)整輔助泵使水泵運(yùn)行系統(tǒng)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，扭矩儀不受力，測(cè)試不同揚(yáng)程反轉(zhuǎn)水頭下的模型泵轉(zhuǎn)速。④測(cè)試6 個(gè)葉片安放角（+6°、+4°、+2°、0°、-2°和-4°）的模型泵裝置葉輪進(jìn)口和導(dǎo)葉體出口的壓力脈動(dòng)。葉輪進(jìn)口的脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于距離葉輪中心線0.4D處，導(dǎo)葉體口的脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于距離葉輪中心線1.1D處（D為葉輪名義直徑），脈動(dòng)測(cè)試采用CYG1505GLLF 高頻動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)傳感器測(cè)量，量程200 kPa，配置SQCJ-USB-16 采集儀。

3.3 模型試驗(yàn)系統(tǒng)

泗陽(yáng)二站改造泵裝置物理模型試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。該試驗(yàn)臺(tái)為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)（見圖3），試驗(yàn)臺(tái)總長(zhǎng)度60.0 m，管道直徑0.5 m，在安裝電磁流量計(jì)前后一定范圍內(nèi)的直管段直徑為0.4 m，測(cè)試系統(tǒng)水體積為50 m3。揚(yáng)程測(cè)量采用EJA110A 型差壓變送器，揚(yáng)程值為泵裝置進(jìn)出口兩測(cè)壓斷面的總壓差；流量測(cè)量采用E-mag 型DN400 電磁流量計(jì)；轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測(cè)量采用JC1A200 型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，在機(jī)組無(wú)水運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)得，泵裝置模型機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩主要由軸承與軸封產(chǎn)生摩擦損失等原因造成；空化余量測(cè)量采用EJA310A 絕對(duì)壓力變送器，空化試驗(yàn)保持流量不變，通過(guò)封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)抽真空逐步減小系統(tǒng)壓力的方法，使泵內(nèi)發(fā)生空化，效率下降1%確定為必需汽蝕余量NPSHre。

圖3 高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)三維示意圖

3.4 測(cè)試綜合不確定度分析

模型泵裝置能量性能效率測(cè)試的系統(tǒng)不確定度為各單項(xiàng)系統(tǒng)不確定度的方和根，即

式中：（Eη）s為系統(tǒng)不確定度；EQ為流量測(cè)量的系統(tǒng)不確定度，±0.18%；EH為揚(yáng)程測(cè)量的系統(tǒng)不確定度，±0.20%；EM為轉(zhuǎn)矩測(cè)量的系統(tǒng)不確定度，±0.20%；En為轉(zhuǎn)速測(cè)量的系統(tǒng)不確定度，±0.05%。

采用在穩(wěn)定的設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況時(shí)，根據(jù)能量性能參數(shù)效率測(cè)量的離散程度進(jìn)行性能試驗(yàn)的隨機(jī)不確定度（Eη）r估計(jì)，其計(jì)算公式如下：

式中：為效率平均值，%；t0.95（N-1）為對(duì)應(yīng)于置信率0.95 和自由度（N-1）的t分布值，t=2.26；S?為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，%；N為測(cè)量次數(shù)，N=10。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果為：

效率測(cè)試綜合不確定度為系統(tǒng)不確定度和隨機(jī)不確定度的方和根，即

模型立式軸流泵裝置效率測(cè)試的綜合不確定度為0.35%，滿足SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)系統(tǒng)測(cè)試綜合不確定度的要求。

4 結(jié)果與分析

4.1 能量性能試驗(yàn)

模型立式軸流泵裝置在6 個(gè)葉片安放角的最優(yōu)工況點(diǎn)性能參數(shù)見表1，模型立式軸流泵裝置綜合特性曲線見圖4。葉片安放角為-2°時(shí)，立式軸流泵裝置最高效率為77.79%，此時(shí)裝置揚(yáng)程5.82 m，流量0.31 m3/s，采用水泵相似律和等效率換算方法，對(duì)應(yīng)的原型泵裝置揚(yáng)程5.82 m，流量30.36 m3/s，效率為77.79%。葉片安放角為+2°，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為6.30 m 時(shí)，流量為0.33 m3/s，滿足設(shè)計(jì)流量要求，此時(shí)泵裝置效率為75.54%；最大揚(yáng)程6.80 m 時(shí)，原型泵站流量為31.26 m3/s，效率為73.94%；平均揚(yáng)程5.55 m 時(shí)，原型泵裝置流量為35.15 m3/s，效率為76.14%。

表1 立式軸流泵裝置最優(yōu)工況點(diǎn)性能參數(shù)表

圖4 立式軸流泵裝置綜合特性曲線圖

4.2 汽蝕性能試驗(yàn)

不同工況泵裝置的必需汽蝕余量曲線見圖5。相同流量工況時(shí)，隨著葉片安放角度增大，必需汽蝕余量逐漸增大；在同一葉片安放角，隨著揚(yáng)程增大，必需汽蝕余量呈增大趨勢(shì)。葉片安放角為+2°時(shí)，在最大揚(yáng)程6.80 m 工況下，模型泵裝置必需汽蝕余量為8.69 m；設(shè)計(jì)揚(yáng)程6.30 m 時(shí)，模型泵裝置必需汽蝕余量為8.45 m；平均揚(yáng)程5.55 m 時(shí)，原型泵裝置的必需汽蝕余量為8.07 m。

圖5 不同工況泵裝置必需汽蝕余量曲線圖

4.3 飛逸特性試驗(yàn)

葉片安放角分別為-4°、+4°、+6°時(shí)，泵的飛逸轉(zhuǎn)速與反作用水頭關(guān)系曲線見圖6，單位飛逸轉(zhuǎn)速見表2。葉片安放角相同時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速隨反向水頭的增大而增大；在相同反作用水頭時(shí)，隨著葉片安放角度減小，飛逸轉(zhuǎn)速逐漸增大。在最大揚(yáng)程6.80 m 工況下，葉片安放角為-4°時(shí)，原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.65 倍；葉片安放角為+4°時(shí)，原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.40 倍；葉片安放角為+6°時(shí)，原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.35 倍。水泵和電機(jī)制造商應(yīng)按1.65 倍校核機(jī)組的安全性能。

表2 各葉片安放角時(shí)單位飛逸轉(zhuǎn)速表

圖6 模型泵飛逸轉(zhuǎn)速特性曲線圖

4.4 脈動(dòng)特性試驗(yàn)

不同揚(yáng)程工況下，模型立式軸流泵裝置葉輪進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1 和導(dǎo)葉體出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2 在6 個(gè)葉片安放角的壓力脈動(dòng)峰峰值見圖7。葉片安放角相同時(shí)，導(dǎo)葉體出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2 的壓力脈動(dòng)峰峰值大于葉輪進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1 的壓力脈動(dòng)峰峰值，且隨著揚(yáng)程增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值基本呈增加趨勢(shì)。將脈動(dòng)峰峰值與揚(yáng)程之比，定義為脈動(dòng)相對(duì)幅值比。葉片安放角不同時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1 的脈動(dòng)相對(duì)幅值比均值為0.15，最大值為0.21；監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2 的脈動(dòng)相對(duì)幅值比均值為0.20，最大值為0.28。

圖7 不同揚(yáng)程時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值圖

5 結(jié) 論

（1）泗陽(yáng)二站改造工程立式軸流泵裝置最高效率達(dá)77.79%，此時(shí)模型泵裝置流量0.31 m3/s，揚(yáng)程5.82 m，葉片安放角度為-2°，對(duì)應(yīng)的原型泵裝置流量30.36 m3/s，揚(yáng)程5.82 m，效率77.79%。葉片安放角度為+2°時(shí)，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程6.30 m，原型泵裝置流量33.00 m3/s，滿足設(shè)計(jì)流量要求。

（2）在同一葉片安放角，隨著揚(yáng)程增大，泵的必需汽蝕余量呈增大趨勢(shì)。葉片安放角為+2°時(shí)，在最大揚(yáng)程6.80 m 工況下，泵必需汽蝕余量為8.69 m；在設(shè)計(jì)揚(yáng)程6.30 m 時(shí)，泵必需汽蝕余量8.45 m；在平均揚(yáng)程5.55 m 時(shí)，泵必需汽蝕余量8.07 m。

（3）原型泵在最大揚(yáng)程6.80 m、葉片角度-4°時(shí)，最大飛逸轉(zhuǎn)速為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.65 倍。建議水泵和電機(jī)制造商按此值校核機(jī)組的安全性能。葉片安放角相同時(shí)，導(dǎo)葉體出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2 的壓力脈動(dòng)峰峰值大于葉輪進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1 的壓力脈動(dòng)峰峰值，且隨著揚(yáng)程增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值基本呈增加趨勢(shì)。