王強(qiáng)，袁堯，呂玉婷，陳玉龍，李彥軍，楊帆

（1.常州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇常州 213002；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210000；3.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009；4.常州市水利建設(shè)投資開(kāi)發(fā)有限公司，江蘇常州 213000；5.江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江 210031）

0 引言

箱涵式雙向立式泵裝置是實(shí)現(xiàn)雙向抽水功能的重要泵站裝置結(jié)構(gòu)型式之一，其具有在滿足城市灌排水功能需求的同時(shí)又能大幅降低工程投資的優(yōu)點(diǎn)［1］。近年來(lái)，箱涵式雙向立式泵裝置在我國(guó)沿江濱湖地區(qū)得到了廣泛地使用，學(xué)者們已對(duì)該泵裝置的水力性能及結(jié)構(gòu)開(kāi)展不少的研究工作并取得了系列研究成果［2-6］，如：周偉等［2］以澡港泵站的開(kāi)敞式雙向流道泵裝置為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算方法分析了泵裝置內(nèi)流場(chǎng)并異化了出水錐管。黃良勇等［3］對(duì)雙向進(jìn)水流道的喇叭口懸空高和雙向出水流道的擴(kuò)散喇叭管出口高度進(jìn)行了多方案優(yōu)選，經(jīng)模型試驗(yàn)在低揚(yáng)程3.26 m 時(shí)泵裝置效率達(dá)71.2%。楊帆等［4，5］分別采用數(shù)值模擬技術(shù)分析了雙向立式軸流泵裝置的流道內(nèi)流特性、擴(kuò)散導(dǎo)葉體對(duì)泵裝置性能的影響并通過(guò)物理模型試驗(yàn)分析了雙向立式軸流泵裝置的脈動(dòng)特性。王麥琪等［6］以引江濟(jì)淮樅陽(yáng)站泵裝置模型為研究對(duì)象，采用CFX 軟件分析了泵裝置的飛逸特性，獲得了不同揚(yáng)程時(shí)泵裝置的流量和飛逸轉(zhuǎn)速。通過(guò)對(duì)已有現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的分析，學(xué)者們對(duì)泵裝置性能的研究主要采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)兩種方法［7-12］，其中數(shù)值模擬的方法被采用的較多，數(shù)值模擬方法的有效性仍需通過(guò)物理模型試驗(yàn)給予驗(yàn)證［13，14］。為確保魏村樞紐擴(kuò)容改建工程泵站的高效安全穩(wěn)定運(yùn)行，依據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50265-2010）》的規(guī)定并結(jié)合當(dāng)前泵裝置的研究方法，針對(duì)該泵站雙向抽水的功能需求，采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析了雙向立式軸流泵裝置的水力性能。

1 工程概況

魏村水利樞紐是國(guó)家治太骨干工程湖西引排的主要工程之一，在區(qū)域乃至流域防洪、排澇、灌溉、航運(yùn)及水環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮了重要作用，工程引水灌溉14 萬(wàn)畝，排澇面積133 km2。樞紐擴(kuò)容改建工程由船閘、節(jié)制閘和泵站組成，泵站和節(jié)制閘采用閘站結(jié)合布置形式。泵站為大（2）型泵站，設(shè)計(jì)排水流量為160 m3/s，設(shè)計(jì)引水流量為60 m3/s，采用5 臺(tái)套立式軸流泵機(jī)組，配2 600 kW 立式同步電機(jī)，總裝機(jī)容量13 000 kW，葉輪直徑為3 100 mm，轉(zhuǎn)速為125 r/min，葉片角度采用液壓全調(diào)節(jié)方式，采3 臺(tái)機(jī)組為雙向立式軸流泵機(jī)組，2 臺(tái)機(jī)組為單向立式軸流泵機(jī)組。泵站運(yùn)行水位如表1 所示，其中泵站揚(yáng)程已考慮了攔污柵及門(mén)槽水力損失0.2 m、流道出口水位雍高及過(guò)柵水力損失0.1 m。魏村樞紐擴(kuò)容改建工程的雙向立式軸流泵裝置的泵房剖面示意圖如圖1所示。

圖1 泵房剖面圖Fig.1 Pump room profile

表1 泵站運(yùn)行水位組合表Tab.1 Water Level Combination Table of Pumping Station

2 泵裝置模型試驗(yàn)

2.1 泵裝置物理模型及試驗(yàn)內(nèi)容

魏村樞紐擴(kuò)容改建工程泵站雙向立式軸流泵裝置的原模型結(jié)構(gòu)幾何尺寸比尺為10.5，模型泵裝置葉輪選用TJ04-ZL-06，葉輪的葉片數(shù)為3，模型泵葉輪名義直徑為300 mm，葉頂平均間隙為0.15 mm，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 312.5 r/min，導(dǎo)葉體的葉片數(shù)為6。箱涵式雙向進(jìn)水流道長(zhǎng)為13.022D（D為葉輪的名義直徑），流道進(jìn)口凈高為1.365D，流道進(jìn)口凈寬為2.857D；箱涵式雙向出水流道長(zhǎng)為13.022D，流道出口凈高為1.397D，流道出口凈寬為2.857D。箱涵式雙向進(jìn)出水流道采用Q235 鋼板焊接制作，內(nèi)壁加涂層以滿足粗糙度相似。

雙向立式軸流泵裝置物理模型試驗(yàn)在江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心的水力機(jī)械四象限多功能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖2所示，該試驗(yàn)臺(tái)泵裝置效率綜合允許不確定度優(yōu)于±0.30%，試驗(yàn)臺(tái)最大試驗(yàn)揚(yáng)程為100 m，最大試驗(yàn)流量為1 000 L/s，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速最大為1 500 r/min。流量數(shù)據(jù)通過(guò)德國(guó)科隆智能電磁流量計(jì)測(cè)取，揚(yáng)程數(shù)據(jù)通過(guò)日本橫河EJA 智能差壓變送器測(cè)取，真空度通過(guò)日本橫河EJA 智能絕壓變送器測(cè)取，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)通過(guò)NJL2/500N·m 智能型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)取。

圖2 水力機(jī)械四象限多功能試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Hydraulic machinery four quadrant multifunctional test rig

魏村樞紐擴(kuò)容改建工況的泵站裝置物理模型試驗(yàn)內(nèi)容主要有泵裝置的能量性能、空化性能及飛逸性能試驗(yàn)，試驗(yàn)的葉片安放角有-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°和+4°。泵裝置模型試驗(yàn)按照歐拉準(zhǔn)則進(jìn)行，設(shè)計(jì)工況時(shí)泵裝置物理模型雷諾數(shù)大于106，試驗(yàn)條件滿足參考文獻(xiàn)［15］的要求。泵裝置能量性能試驗(yàn)、空化性能試驗(yàn)和壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)均按照參考文獻(xiàn)［15］中的試驗(yàn)要求進(jìn)行。

2.2 模型試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 能量性能試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，在7 個(gè)葉片安放角范圍內(nèi)雙向立式軸流泵裝置最高效率為74.26%，此時(shí)泵裝置流量為243.05 L/s，泵裝置揚(yáng)程為3.981 m，葉片安放角為-6°；在葉片安放角-8°、-4°、-2°和0°時(shí)，泵裝置最高效率均超過(guò)73%，分別為73.82%、73.89%、73.65%和73.14%；在葉片安放角+2°和+4°時(shí)，泵裝置最高效率分別為72.47%和71.83%。不同葉片安放角下泵裝置設(shè)計(jì)揚(yáng)程和泵裝置最大揚(yáng)程時(shí)泵裝置模型性能參數(shù)如表2 所示，采用等效率換算至原型泵裝置，在泵站排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.71 m 時(shí)，葉片安放角+2°原型泵裝置單機(jī)流量為32.79 m3/s，滿足單機(jī)設(shè)計(jì)流量32 m3/s 的要求，此時(shí)泵裝置效率為72.15%；在泵裝置排澇最大揚(yáng)程5.25 m 時(shí)，原型泵裝置單機(jī)流量為30.39 m3/s，此時(shí)泵裝置效率為69.84%。泵裝置物理模型綜合特性曲線如圖3所示。

表2 不同泵裝置特征揚(yáng)程時(shí)泵裝置模型性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of pump device model with different characteristic head

圖3 雙向立式泵裝置模型綜合特性曲線Fig.3 Comprehensive characteristic curve of bidirectional vertical pump device model

2.2.2 空化性能試驗(yàn)結(jié)果

不同葉片安放角時(shí)泵裝置必需汽蝕余量如圖4 所示，相同葉片安放角時(shí)，在流量150～450 L/s 范圍內(nèi)必需汽蝕余量NPSHc隨流量的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。在相同流量時(shí)，必需汽蝕余量隨葉片安放角的增加而增加。在泵裝置排澇最大揚(yáng)程5.25 m，葉片安放角+2°時(shí)，水泵的淹沒(méi)深度滿足泵最大必需汽蝕余量9.35 m的要求。

圖4 泵裝置必需汽蝕余量曲線Fig.4 The required cavitation amount curve of pump device

2.2.3 飛逸性能試驗(yàn)結(jié)果

不同葉片安放角時(shí)泵裝置的單位飛逸轉(zhuǎn)速變化曲線如圖5所示，采用文獻(xiàn)［12］原模型飛逸轉(zhuǎn)速換算方法，在葉片安放角-8°、泵裝置排澇最大揚(yáng)程5.25 m 時(shí)，原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速213.11 r/min 是其額定轉(zhuǎn)速的1.705 倍；在泵裝置引水最大揚(yáng)程4.41 m時(shí)，原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速195.32 r/min是其額定轉(zhuǎn)速的1.563倍，水泵和電動(dòng)機(jī)制造廠家需按照1.8 倍額定轉(zhuǎn)速校核水泵和電動(dòng)機(jī)的強(qiáng)度。隨著葉片安放角α的增大，單位飛逸轉(zhuǎn)速逐漸減小。

圖5 泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速曲線Fig.5 The unit runaway speed of pump device

2.2.4 流道內(nèi)流場(chǎng)分析

為進(jìn)一步明確雙向立式軸流泵裝置的流道內(nèi)流規(guī)律，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)魏村樞紐擴(kuò)容改建工程泵站的原型裝置進(jìn)行全流道流場(chǎng)計(jì)算，葉輪名義直徑為3 150 mm，轉(zhuǎn)速為125 r/min，葉片安放角為0°。雙向立式軸流泵裝置的計(jì)算域包括前池、箱涵式雙向進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體和箱涵式雙向出水流道和出水池共6 個(gè)部分，泵裝置內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法參考文獻(xiàn)［12-14］，這里不再贅述。在引水工況時(shí)箱涵式雙向進(jìn)水流道內(nèi)水流流動(dòng)的雷諾數(shù)為1.419×107，箱涵式雙向出水流道內(nèi)水流流動(dòng)的雷諾數(shù)為1.287×107，在排澇工況時(shí)進(jìn)出水流道的雷諾數(shù)均大于引水工況，流道內(nèi)水流處于阻力平方區(qū)。泵裝置的數(shù)值計(jì)算以泵裝置排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況進(jìn)行計(jì)算，泵裝置排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程為4.71 m，單機(jī)組設(shè)計(jì)流量為32 m3/s。為驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量對(duì)泵裝置數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)雙向立式泵裝置各過(guò)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，共采用了7 組網(wǎng)格數(shù)量分別為1 023 687，1 357 451，1 795 147，2 547 893，2 736 478和3 498 132對(duì)泵裝置進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性分析，對(duì)比分析不同網(wǎng)格數(shù)量時(shí)泵裝置的效率，在泵裝置網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到254 793、2 736 478及3 498 132時(shí)，泵裝置效率的差值因網(wǎng)格數(shù)量的變化均小于0.2%，本次數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量選取2 736 478，泵裝置數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 泵裝置網(wǎng)格圖Fig.6 Grid diagram of pump device

在泵裝置排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.71 m 時(shí)，雙向立式軸流泵裝置的流場(chǎng)如圖7 所示，流道內(nèi)水流的流動(dòng)可分為2 個(gè)階段，一是在流道內(nèi)從四面向喇叭管進(jìn)口的匯集流動(dòng)階段，二是水流進(jìn)入喇叭管后的流場(chǎng)調(diào)整階段；在匯集流動(dòng)階段，一部分水流從喇叭管前直接進(jìn)入喇叭管，一部分水流繞至兩側(cè)進(jìn)入喇叭管，還有一部分水流則繞至蝸殼后部進(jìn)入喇叭管；由于箱涵式雙向進(jìn)水流道的后壁空間很大，在后壁處存在大范圍的滯水區(qū)，流道的流態(tài)總體上符合收縮均勻、轉(zhuǎn)向有序的基本要求。在泵裝置排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)，箱涵式雙向進(jìn)水流道出口面的軸向速度分布均勻度為95.01%，速度加權(quán)平均角為87.16°，流道的水力損失為0.227 m。箱涵式雙向出水流道的水力損失為0.576 m，是進(jìn)水流道水力損失近2.54 倍，占泵裝置排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程的12.23%，出水流道的水力損失對(duì)泵裝置水力效率的影響較大。水力損失是流道內(nèi)部流動(dòng)的外在體現(xiàn)，為進(jìn)一步分析箱涵式雙向出水流道的內(nèi)流特征，截取出水流道的6個(gè)特征斷面，各特征斷面的流場(chǎng)如圖8 所示，其中斷面1-1、斷面2-2 和斷面3-3 為橫斷面，以出水流道底部為基準(zhǔn)面，各斷面距基準(zhǔn)面的距離分別為：斷面1-1 為0.182D、斷面2-2 為0.627D、斷面3-3 為1.077D；斷面4-4、斷面5-5 和斷面6-6 為縱斷面，以出水流道水平中心線為基準(zhǔn)，各斷面距基準(zhǔn)面的距離分別為：斷面4-4 為1.01D、斷面5-5為0.0D，斷面6-6為-1.01D。在排澇設(shè)計(jì)工況時(shí)，箱涵式雙向出水流道的內(nèi)流場(chǎng)受導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量的影響較大，水流呈螺旋狀進(jìn)入出水流道，在喇叭管和后導(dǎo)水錐構(gòu)成的通道內(nèi)邊旋轉(zhuǎn)邊向四周擴(kuò)散，流出喇叭管與導(dǎo)水錐構(gòu)成的通道的水流向四周輻射狀急劇轉(zhuǎn)向并擴(kuò)散，一部分水流向后壁流動(dòng)，由于后壁空間較大，在后壁存在大范圍的滯水區(qū)；一部分水流向左右兩側(cè)壁流動(dòng)，受側(cè)壁的阻擋影響，水流在立面上形成旋渦，后壁和兩側(cè)壁的水流在落到流道下半部以后轉(zhuǎn)向流道出口流動(dòng)，還有一部分水流直接向流道出口流動(dòng)，水流經(jīng)直線段調(diào)整后流向出水池。流道的內(nèi)部流態(tài)滿足穩(wěn)定、高效運(yùn)行的要求。在排澇設(shè)計(jì)工況時(shí)，進(jìn)出水流道的全部水力損失占泵裝置揚(yáng)程的17.05%。

圖7 雙向立式泵裝置流場(chǎng)圖（排澇設(shè)計(jì)工況）Fig.7 Flow field diagram of pump device（Drainage design condition）

圖8 箱涵式雙向出水流道的流場(chǎng)圖（排澇設(shè)計(jì)工況）Fig.8 Flow field diagram of bidirectional outlet conduit（Drainage design condition）

4 結(jié)論

（1）魏村樞紐擴(kuò)容改建工程雙向立式軸流泵裝置的箱涵式雙向進(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)較好未見(jiàn)附底渦等不良流動(dòng)現(xiàn)象，箱涵式雙向出水流道的盲端存在較大范圍的旋渦區(qū)，排澇設(shè)計(jì)工況時(shí)進(jìn)出水流道的總水力損失占泵裝置揚(yáng)程的17.05%。箱涵式雙向進(jìn)水流道和箱涵式雙向出水流道的主要控制尺寸能滿足泵站工程設(shè)計(jì)要求且水力性能較好。

（2）在葉片安放角-8°～+4°試驗(yàn)范圍內(nèi)，雙向立式軸流泵裝置最高效率為74.26%。在泵裝置排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.71 m 時(shí)，葉片安放角+2°原型泵裝置單機(jī)流量為32.79 m3/s，滿足單機(jī)設(shè)計(jì)流量要求，泵裝置效率為72.15%；在泵裝置排澇最大揚(yáng)程5.25 m 時(shí)，原型泵裝置單機(jī)流量為30.39 m3/s，此時(shí)泵裝置效率為69.84%。

（3）在相同流量時(shí)，隨著葉片安放角的增加必需汽蝕余量也增加。在泵裝置排澇最大揚(yáng)程5.25 m，葉片安放角+2°時(shí)，水泵的淹沒(méi)深度滿足最大必需汽蝕余量9.35 m 的要求。在葉片安放角-8°下，泵裝置排澇最大揚(yáng)程5.25 m 時(shí)，原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速是其額定轉(zhuǎn)速的1.705倍，為213.11 r/min。