劉金生，丁 平，，楊 澎，呂玉婷，楊 帆*

（1.揚(yáng)州市水利工程建設(shè)中心，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

雙向潛水貫流泵裝置具有效率高、水泵機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置緊湊及安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于具有雙向抽水功能需求的城市泵站工程中。導(dǎo)葉體是雙向貫流泵裝置中用以回收葉輪出口水流環(huán)量、提高泵裝置水力效率的主要過流結(jié)構(gòu)。針對(duì)潛水泵裝置水力效率提高的問題，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究工作并取得了不少的研究成果。研究主要集中于潛水泵裝置的結(jié)構(gòu)及流道幾何尺寸的比選及數(shù)值優(yōu)化［1-4］、葉輪和導(dǎo)葉體幾何參數(shù)的優(yōu)化［5-7］等方面，研究方法主要采用數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)。采用可調(diào)導(dǎo)葉提高泵及泵裝置水力效率的研究工作較少，但也有學(xué)者取得了一些研究成果［8-13］，如：錢忠東等［8-9］采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法分析了不同導(dǎo)葉安放角對(duì)軸流泵運(yùn)行工況調(diào)節(jié)的影響規(guī)律，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉安放角能夠提高動(dòng)能回收的比例，從而提高軸流泵的揚(yáng)程和效率。楊帆等［11］采用數(shù)值模擬技術(shù)分析了不同安放角的可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉對(duì)軸流泵水力性能的影響規(guī)律，獲得了進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)軸流泵水力性能調(diào)節(jié)的綜合特性曲線。Kim Youn Sung等［12］采用數(shù)值模擬方法定性定量分析了進(jìn)口導(dǎo)葉片的安放角對(duì)潛水軸流泵內(nèi)流場(chǎng)及水力性能參數(shù)的影響。在分析總結(jié)已有文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上，本文基于揚(yáng)州閘泵站雙向潛水貫流泵裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了采用雙側(cè)可調(diào)導(dǎo)葉的技術(shù)方案，采用物理模型試驗(yàn)方法探析雙可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)雙向潛水貫流泵裝置水力性能的影響規(guī)律，旨在為揚(yáng)州閘泵站雙向潛水貫流泵裝置的高效安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 工程概況及設(shè)計(jì)參數(shù)

揚(yáng)州閘泵站承擔(dān)揚(yáng)州市城區(qū)澇水及周邊區(qū)域匯水排放、有效控制古運(yùn)河水位、提高城市防洪能力，并保證古運(yùn)河和儀揚(yáng)河干流生態(tài)基流的任務(wù)。該泵站安裝有2臺(tái)2400GZBWBS型雙向潛水貫流泵裝置機(jī)組，原型水泵葉輪直徑2 400 mm，配套電機(jī)為YQGN990-10-1000/400（抽排/抽引）kW/10kV帶行星齒輪雙速潛水干式電機(jī)，抽排轉(zhuǎn)速158 r/min，抽引轉(zhuǎn)速127 r/min。雙向潛水貫流泵裝置單線圖如圖1所示。引水設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程0.65 m，引水最高凈揚(yáng)程0.80 m，引水平均凈揚(yáng)程0.33 m，排澇設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程2.44 m，排澇最高凈揚(yáng)程3.41 m，排澇平均凈揚(yáng)程1.35 m，攔污柵及進(jìn)出口門槽損失按0.4 m設(shè)計(jì)，排澇設(shè)計(jì)流量為16.57 m3/s，引水設(shè)計(jì)流量為15.17 m3/s。

圖1 雙向潛水貫流泵裝置單線圖

雙向潛水貫流泵裝置的進(jìn)出水側(cè)流道長(zhǎng)度均為5.104D，流道的進(jìn)口高度均為1.72D、寬度為2.21D，燈泡體段長(zhǎng)1.888D，燈泡體支撐件為5片，支撐件長(zhǎng)度0.449D，其中D為葉輪的名義直徑。葉輪兩側(cè)均采用了可調(diào)節(jié)導(dǎo)葉體，葉輪的兩側(cè)分別為常規(guī)導(dǎo)葉體和擴(kuò)散導(dǎo)葉體，擴(kuò)散導(dǎo)葉體的單邊擴(kuò)散角為13°，擴(kuò)散導(dǎo)葉體與燈泡體相連，根據(jù)文獻(xiàn)［11］中的研究成果，采用對(duì)稱平板翼型的直可調(diào)導(dǎo)葉片，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于翼型的幾何形心。雙向泵葉輪采用揚(yáng)州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的SZM35，葉輪的葉片數(shù)為4，可調(diào)導(dǎo)葉體的葉片數(shù)均為5。根據(jù)水泵相似律換算，引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置設(shè)計(jì)流量為237.03 L/s，排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置設(shè)計(jì)流量為258.91 L/s。

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

雙向潛水貫流泵裝置的模型泵葉輪名義直徑為300 mm，導(dǎo)葉體和葉輪的定位表面的軸向跳動(dòng)為0.10 mm，輪轂的外表面的徑向跳動(dòng)為0.08 mm，葉頂間隙控制在0.15 mm以內(nèi)，雙向潛水貫流泵裝置的物理模型如圖2所示。依據(jù)nD值相等原則（n為葉輪的轉(zhuǎn)速），雙向潛水貫流泵裝置引水工況時(shí)模型泵葉輪轉(zhuǎn)速為1 016 r/min，排澇工況時(shí)模型泵葉輪轉(zhuǎn)速為1 264 r/min。開展了燈泡體前后置對(duì)雙向潛水貫流泵裝置能量性能的影響分析、不同可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角對(duì)泵裝置能量性能的影響分析以及在固定可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角下不同葉片安放角時(shí)泵裝置的空化性能和飛逸特性試驗(yàn)。

圖2 雙向潛水貫流泵裝置的物理模型

2.2 雙向潛水貫流泵裝置的能量性能

定義燈泡體位于外河側(cè)時(shí)，引水工況時(shí)泵裝置的燈泡體前置，排澇工況時(shí)泵裝置的燈泡體后置；燈泡體位于內(nèi)河側(cè)時(shí)，引水工況時(shí)泵裝置的燈泡體后置，排澇工況時(shí)泵裝置的燈泡體前置。為便于說明，定義QZ為燈泡體前置，HZ為燈泡體后置，泵裝置能量性能試驗(yàn)參照文獻(xiàn)［14］的規(guī)定要求，燈泡體位于外河側(cè)時(shí)潛水貫流泵裝置的能量性能曲線如圖3所示，燈泡體位于內(nèi)河側(cè)時(shí)潛水貫流泵裝置的能量性能曲線如圖4所示。在燈泡體位于外河側(cè)、葉片安放角0°且可調(diào)導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)角0°條件下，引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置的流量為264.37 L/s，效率為54.34%；排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置的流量為275.4 L/s，效率為58.26%。在燈泡體位于外河側(cè)、葉片安放角-2°條件且可調(diào)導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)角0°下，引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置的流量為245.13 L/s，效率為57.23%；排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置的流量為257.36 L/s，效率為60.02%。在燈泡體位于內(nèi)河側(cè)、葉片安放角0°且可調(diào)導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)角0°條件下，引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置的流量為257.16 L/s，效率為56.25%；排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置的流量為289.63 L/s，效率為59.29%。在燈泡體位于內(nèi)河側(cè)、葉片安放角-2°且可調(diào)導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)角0°條件下，引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置的流量為247.27 L/s，效率為59.12%；排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置的流量為265.19 L/s，效率為60.03%。無論燈泡體在外河側(cè)還是內(nèi)河側(cè)，在葉片安放角-2°和0°時(shí)雙向潛水貫流泵裝置的流量均滿足引水設(shè)計(jì)工況和排澇設(shè)計(jì)工況的流量要求，葉片安放角-2°時(shí)泵裝置效率高于葉片安放角0°泵裝置效率，但效率均低于揚(yáng)州閘泵站雙向潛水貫流泵裝置的設(shè)計(jì)效率要求，建議葉片安放角選擇在-2°，排澇工況采用燈泡體后置方案、調(diào)節(jié)可調(diào)擴(kuò)散導(dǎo)葉的導(dǎo)葉片角度，引水工況采用燈泡體前置方案、調(diào)節(jié)可調(diào)直導(dǎo)葉的導(dǎo)葉片角度。

圖3 雙向潛水貫流泵裝置的能量性能曲線（燈泡體位于外河側(cè)）

圖4 雙向潛水貫流泵裝置的能量性能曲線（燈泡體位于內(nèi)河側(cè)）

針對(duì)引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.05 m和排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.84 m，在葉片安放角-2°時(shí)開展了可調(diào)導(dǎo)葉片不同調(diào)節(jié)角時(shí)泵裝置的能量性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在引水工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.05 m時(shí)，在直可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角12°時(shí)燈泡體前置的泵裝置效率為64.1%，流量為250.46 L/s，為設(shè)計(jì)引水流量的1.056倍；在直可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角16°和20°時(shí)燈泡體前置的泵裝置效率分別為62.86%、62.01%，流量分別為250.02 L/s、249.86 L/s，均約是設(shè)計(jì)引水流量的1.054倍。依據(jù)相同揚(yáng)程時(shí)流量大效率高的原則，引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況時(shí)選擇燈泡體前置、直可調(diào)導(dǎo)葉的葉片安放角12°方案，相比直可調(diào)導(dǎo)葉0°時(shí)泵裝置效率提高了6.87%，原型泵裝置機(jī)組流量為16.02 m3/s。在排澇工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.84 m時(shí)，在擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角20°時(shí)燈泡體后置的泵裝置效率為66.2%，流量為267.03 L/s，是排澇設(shè)計(jì)流量的1.031倍；在擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角16°時(shí)燈泡體后置的泵裝置效率為66.01%，流量為265.93 L/s，是排澇設(shè)計(jì)流量的1.027倍。依據(jù)相同揚(yáng)程時(shí)，流量大效率高的原則，排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況時(shí)選擇燈泡體后置、擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉的葉片調(diào)節(jié)角20°方案，相比擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉0°時(shí)泵裝置效率提高了6.18%，原型泵裝置機(jī)組流量為17.08 m3/s，滿足泵裝置排澇設(shè)計(jì)流量要求。相比可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角0°時(shí)，可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角分別為12°和20°時(shí)泵裝置效率平均提高了約6.23%。

圖5 設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況時(shí)泵裝置的性能曲線（葉片安放角-2°）

2.3 雙向潛水泵裝置的空化性能

雙向潛水貫流泵裝置的空化性能試驗(yàn)采用定流量的能量法［14］，取泵裝置模型效率較其能量性能點(diǎn)下降1%的有效空化余量作為必需汽蝕余量（以葉輪中心為基準(zhǔn)）?？烧{(diào)導(dǎo)葉的葉片調(diào)節(jié)角12°時(shí)QZ潛水貫流泵裝置空化曲線如圖6（a）所示，相同葉片安放角時(shí)，隨著流量的增大葉輪的必需汽蝕余量呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，在排澇工況最高揚(yáng)程3.81 m、葉片安放角-2°時(shí)，葉輪的必需汽蝕余量為6.9 m；排澇工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.84 m時(shí)，葉輪的必需汽蝕余量為5.13 m?？烧{(diào)導(dǎo)葉的葉片調(diào)節(jié)角20°時(shí)HZ潛水貫流泵裝置的泵裝置空化曲線如圖6（b）所示，在相同葉片安放角時(shí)，隨流量的增大，葉輪的必需汽蝕余量呈逐漸減小的趨勢(shì)，在葉片安放角-2°、引水工況最高揚(yáng)程1.2 m時(shí)，葉輪的必需汽蝕余量為5.8 m；引水工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.05 m時(shí)，葉輪的必需汽蝕余量為5.91 m。潛水貫流泵裝置的葉輪安裝高程均滿足要求。

圖6 不同葉片安放角時(shí)泵裝置的空化性能曲線

2.4 雙向潛水泵裝置的飛逸特性

泵裝置的飛逸特性試驗(yàn)通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)流動(dòng)系統(tǒng)的管路切換，調(diào)節(jié)輔助泵使泵裝置反向運(yùn)行，扭矩儀不受力，測(cè)試不同反向水頭時(shí)泵裝置模型的葉輪轉(zhuǎn)速。直可調(diào)導(dǎo)葉的葉片調(diào)節(jié)角12°時(shí)QZ潛水貫流泵裝置的飛逸特性曲線如圖7（a）所示，擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉的葉片調(diào)節(jié)角20°時(shí)HZ潛水貫流泵裝置的飛逸特性曲線如圖7（b）所示。不同葉片安放角時(shí)隨著反向水頭的增大，葉輪的飛逸轉(zhuǎn)速逐漸增大；相同反向水頭時(shí)，隨著葉片安放角的減小，葉輪的飛逸轉(zhuǎn)速逐漸增大。在葉片安放角-2°時(shí)，排澇工況最大凈揚(yáng)程3.41 m時(shí)，原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為381.42 r/min，是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的2.41倍。引水工況最大凈揚(yáng)程0.8 m時(shí)，原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為181.05 r/min，是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.43倍。在校核電機(jī)和水泵強(qiáng)度時(shí)建議采用2.5倍額定轉(zhuǎn)速，確保電機(jī)和水泵能在排澇工況381.42 r/min時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)2 min以上。

圖7 不同葉片安放角時(shí)泵裝置的飛逸特性曲線

3 結(jié)論

（1）通過物理模型試驗(yàn)對(duì)比分析了燈泡體位置對(duì)雙向運(yùn)行時(shí)潛水貫流泵裝置能量性能的影響，揚(yáng)州閘泵站雙向潛水貫流泵裝置優(yōu)選了排澇工況燈泡體后置的技術(shù)方案，葉片安放角建議選擇在-2°。

（2）在葉片安放角-2°時(shí)，直可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角12°下燈泡體前置的泵裝置效率為64.1%，流量為250.46 L/s，為設(shè)計(jì)引水流量的1.056倍；在排澇工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.84 m時(shí)，擴(kuò)散可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角20°下燈泡體后置的泵裝置效率為66.2%，流量為267.03 L/s，是排澇設(shè)計(jì)流量的1.031倍?？烧{(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角12°和20°時(shí)泵裝置效率相比可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角0°時(shí)泵裝置效率平均提高了約6.23%。

（3）在葉片安放角-2°時(shí)，排澇工況最高揚(yáng)程3.81 m下葉輪的必需汽蝕余量為6.9 m，引水工況最高揚(yáng)程1.2 m下葉輪的必需汽蝕余量為5.8 m。在葉片安放角-2°時(shí)，排澇工況最大凈揚(yáng)程3.41 m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為381.42 r/min，是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的2.41倍，引水工況最大凈揚(yáng)程0.8 m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速為181.05 r/min，是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.43倍。