汪寶羅，朱建忠，張弋揚，潘利國，何成連

（1.浙江省水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002；2.嘉興市杭嘉湖南排工程管理服務(wù)中心，浙江 嘉興 314001；3. 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 問題的提出

浙江省近年來建設(shè)了數(shù)座單機(jī)50 m3/s的大型斜式軸流泵站，其運行安全性、穩(wěn)定性直接關(guān)系到當(dāng)?shù)胤篮榕艥嘲踩?。斜式軸流泵在國內(nèi)應(yīng)用案例非常少，發(fā)展相比國外晚近50 a，我國從20世紀(jì)80年代末期才開始陸續(xù)在各大泵站應(yīng)用[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)的斜式泵站有：內(nèi)蒙古紅圪卜、上海太浦河、江蘇省新夏港、湖南省黃蓋湖和蘇家吉、浙江省嘉興鹽官、杭州三堡、廣東省文頭嶺等。因斜式軸流泵的流道彎曲，已經(jīng)運行的泵站出現(xiàn)左、右流道偏流嚴(yán)重等問題，這種流動現(xiàn)象也在過去的研究中得到體現(xiàn)。施衛(wèi)東[2-3]等認(rèn)為斜式泵出水流道的流態(tài)有待提高，仇寶云等[4]認(rèn)為無論什么泵型，出水流道均存在回流，導(dǎo)致左右流道流量不均衡。謝麗華等[5-9]通過裝置模型試驗和CFD優(yōu)化研究中對斜式泵出水流道的流動特性進(jìn)行驗證和改良。

為了進(jìn)一步探求斜式軸流泵的流動特性，浙江省對新建的斜式軸流泵站開展一系列CFD模擬及裝置模型試驗工作。本文基于浙江省建設(shè)的幾個不同傾斜角度斜式軸流泵裝置的模型試驗，對斜式軸流泵的壓力脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對幾個共性問題進(jìn)行分析，總結(jié)該泵型的水壓力脈動規(guī)律。

2 斜式軸流泵裝置模型試驗

浙江省三堡、八堡、長山河、鹽官這4座泵站的斜式泵裝置模型試驗均在中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司試驗臺完成。因此，上述各泵站的裝置模型試驗具有同臺試驗環(huán)境[10]和相同的系統(tǒng)誤差，試驗數(shù)據(jù)對比分析具有說服力。

斜式軸流泵水壓力脈動測試采用中國地震局工程力學(xué)研究所的G01型多功能USB高級數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，CGYL-201型高精度水壓脈動傳感器，輸出與水壓力成正比的電壓信號，量程為-10~20 m，動態(tài)響應(yīng)范圍0~1 500 Hz，使用DRUCK標(biāo)準(zhǔn)壓力計現(xiàn)場靜態(tài)原位率定。

圖1為中水北方公司軸流泵試驗平臺的系統(tǒng)示意圖；圖2為八堡泵站裝置模型試驗照片圖；圖3為八堡泵站裝置流道型線圖。

圖1 試驗臺系統(tǒng)示意圖

圖2 八堡泵站裝置模型試驗照片圖

圖3 八堡泵站進(jìn)、出水流道單線圖 單位：cm

3 測點分布

根據(jù)斜式軸流泵流道的特點，在其轉(zhuǎn)輪進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間、導(dǎo)葉出口、出水流道彎管、左側(cè)出水流道、右側(cè)出水流道布置水壓脈動測點。各測點的位置、符號見表 1。測點布置照片見圖4[11]。

圖4 測點布置照片圖

表1 測點位置表

4 斜式軸流泵壓力脈動特性研究

轉(zhuǎn)動葉片與靜止導(dǎo)葉間的相對運動、偏離最優(yōu)工況時吸水室水流圓周運動、局部空化及二次流等因素，都可能導(dǎo)致泵內(nèi)水壓力隨時間不斷快速變化，即出現(xiàn)壓力脈動。壓力脈動的最大危害是產(chǎn)生水力激振，同時還可引發(fā)進(jìn)一步局部空化，甚至在某些情況下引發(fā)共振[12]。因此，壓力脈動是影響大型軸流泵運行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，也是泵裝置試驗階段需要特別關(guān)注的內(nèi)容。

水泵壓力脈動研究開展較晚，始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時將壓力脈動看作隨機(jī)信號處理。隨著研究深入后發(fā)現(xiàn)，水泵壓力脈動與振動、噪音有著密切聯(lián)系，了解壓力脈動在不同工況下的類型有助于控制、降低壓力脈動，從而達(dá)到提高泵系統(tǒng)工作品質(zhì)，降低振動、噪音的目的[13]。因此，為避免因壓力脈動而引發(fā)的水力振動，有必要對斜式軸流泵壓力脈動的規(guī)律進(jìn)行研究。

壓力脈動研究不同于能量特性研究，目前的CFD技術(shù)已經(jīng)可以通過優(yōu)化后的湍流模型，較為準(zhǔn)確地模擬斜式泵的能量特性，但是壓力脈動特性的計算需要通過非定常模擬，計算工作量龐大，且計算的準(zhǔn)確性也有待檢驗。因此，目前壓力脈動的研究主要還是依托裝置模型試驗，壓力脈動試驗也是整個裝置模型試驗中最困難的部分。試驗數(shù)據(jù)表明：流道不同位置的壓力脈動強(qiáng)弱不一，流態(tài)好的位置壓力脈動比較清晰，反之壓力脈動表現(xiàn)得較為混亂，為壓力脈動規(guī)律性總結(jié)工作造成較大的難度。

長山河、鹽官、八堡3個斜式軸流泵站在裝置模型試驗期間，均開展壓力脈動的研究，這些研究包括轉(zhuǎn)輪進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間、導(dǎo)葉出口、左側(cè)出水流道、右側(cè)出水流道等部位。通過對這些測點不同工況下的壓力脈動進(jìn)行整理與分析，發(fā)現(xiàn)有2處測點的壓力脈動在不同工況下呈現(xiàn)較強(qiáng)的規(guī)律性：其一為導(dǎo)葉出口處的壓力脈動，其二為出水流道左側(cè)壓力脈動。經(jīng)對長山河這2個位置的壓力脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果見圖5~6。

圖5 各揚程下導(dǎo)葉出口壓力脈動與葉片角度關(guān)系圖

圖6 各揚程下左側(cè)出水流道壓力脈動與葉片角度關(guān)系圖

從圖5~6中可見：

（1）導(dǎo)葉出口處壓力脈動呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，在相同揚程下，葉片角度越大，壓力脈動越大。

（2）同一葉片角度、不同揚程下，壓力脈動值呈現(xiàn)出兩頭高、中間低的現(xiàn)象，即高揚程和低揚程下，壓力脈動大，中間揚程壓力脈動小。壓力脈動最小的區(qū)域為裝置效率最高的區(qū)域。以長山河泵站為例，裝置效率最高的區(qū)域?qū)?yīng)的揚程為7.5~6.6 m，該區(qū)域也是壓力脈動最小的區(qū)域。

（3）出水流道左側(cè)的壓力脈動值也呈現(xiàn)較好的規(guī)律性，與導(dǎo)葉出口處類似。在相同揚程下，葉片角度越大，壓力脈動越大，其數(shù)值與導(dǎo)葉出口處的壓力脈動相比，大幅減弱。

5 結(jié) 語

基于同臺試驗具有的數(shù)據(jù)對比優(yōu)勢，通過總結(jié)幾座在中水北方試驗臺開展同臺試驗的斜式軸流泵的裝置模型試驗成果，獲得上述斜式軸流泵的壓力脈動規(guī)律性，基于這些成果，提出以下幾點建議：

（1）在水泵選型階段，讓水泵經(jīng)常運行的工況點盡量處于最高效率區(qū)附近，有助于提高機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

（2）當(dāng)泵組偏離最高效率區(qū)運行時，為了降低壓力脈動引起的機(jī)組振動問題，可以通過變槳技術(shù)，將水泵槳葉往小角度進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，以此降低壓力脈動數(shù)值，提高機(jī)組運行的安全穩(wěn)定性。

（3）泵站現(xiàn)場對真機(jī)開展壓力脈動監(jiān)測時，測點位置應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇在導(dǎo)葉出口和左側(cè)出水流道，這2個位置可獲取較清晰的壓力脈動信號。

（4）受出水流道2次轉(zhuǎn)彎的影響，斜式軸流泵出水流道具有左側(cè)偏流的特性。受此特性影響，左側(cè)出水流道的壓力脈動比右側(cè)流道更能體現(xiàn)出規(guī)律性。