轴流泵变角与变速的试验分析

张文鹏，汤方平，谢荣盛，石丽建，谢传流(扬州大学水利与能源动力工程学院， 江苏 扬州 225009)

由于我国处于亚欧大陆东南和太平洋西岸特殊的地理位置, 大部分地区位于季风气候区，致使我国的洪涝灾害具有发生频率高、受灾范围广和一旦受灾就损失严重等特点。尤其是近几年来，城市洪涝灾害屡见报端，给人民群众的生命财产安全造成了重大威胁。要解决洪涝灾害问题，建设排涝泵站无疑是最有效的方法之一。某泵站规划为城市排涝泵站，兼顾抽排和自排功能，采用立式轴流泵装置。工程上大都是采用nD值相等转化原理，用模型实验预测原型泵装置性能。储训等[1]研究了轴流泵变速运行的优点；袁尧等[2]研究了变角性能的相似关系；冯晓莉等[3]研究了在变角情况下优化泵站运行方案的经济性。国内中小型泵站多采用半调节式的叶片调节方式，大型泵站多采用全调节式的叶片调节方式，泵站可供选择的调节方案比较单一，特别是水位变化较大时，泵站的高效安全运行得不到保证。本文基于模型泵装置能量试验，分析了轴流泵变角和变速各自的运行特点，对在变速实验中得到的高效点的流量与转速值进行拟合，验证了水泵的比例律关系，为泵站调节经济运行提供依据。

1 模型试验概述

1.1 泵装置简介

泵装置模型试验采用钟形进水流道。水泵装置模型比尺为1∶5.733，模型泵名义叶轮直径D为300 mm，叶片间隙0.2 mm左右，轮毂比为0.4，叶片数为4，采用 黄铜经数控加工成型。

1.2 试验台简介

试验在扬州大学高精度水力机械试验台上进行。试验台鉴定，效率测试系统综合误差为±0.39%，满足国家标准GB/T 18149-2000和中华人民共和国水利部行业标准SL140-2006 精度要求，通过国家计量认证。试验台为立式封闭循环系统，总长度60.0 m，管道直径为0.5 m(仅在安装电磁流量计的前后10倍直管段为直径0.4 m的管道)，整个系统内水体积为50 m3。试验台可进行泵装置模型的能量试验、汽蚀试验、飞逸特性试验、水轮机工况试验、模型泵装置过渡特性、内特性试验等。本文在该试验台进行了泵装置能量试验研究。试验台如图1所示。

图1 试验台简图Fig.1 simple figure of the test bench 注：1-进水箱；2-受试泵装置及驱动电机；3-压力出水箱；4-分叉水箱；5-流量原位标定装置；6-工况调节闸阀；7-稳压整流筒；8-电磁流量计；9-系统正反向运行控制闸阀；10-辅助泵机组。

2 变角调节

2.1 变角调节方式

大型泵站工程根据实际运行水位普遍采用变角调节的方法来改变水泵运行工况。变角调节就是通过改变轴流泵叶片的安放角，使水泵性能发生变化，以达到调节目的。叶片角度调节有半调节和全调节2种方式[4]。半调节方式中，水泵叶轮的叶片通常用紧固螺栓固定在轮毂上，叶片和轮毂上刻有指示线和角度线，在调节时松开螺母，即可转动叶片，一般在检修时进行,故不能实时调节。采用全调节方式时，可以通过液压系统或机械调节机构调节叶片角度，可进行实时调节，便于自动化控制，但成本较大，泵装置结构复杂，并且存在一定的不确定性[5]。

2.2 试验方法

本次模型泵试验由于实验条件限制采用半调节的调节方式。分别测试了5个不同叶片安放角度(-2 、0 、+2 、+4 、+6°)在转速为1 433 r/min下的泵装置能量特性。每次试验除调节角度不同外，保持其他参量不变。以0°叶片安放角为例，介绍试验注意事项如下：试验开始前，先测出空载扭矩，用来校正数据；通过扬程表对补水后的系统排气，以减小试验误差；由于水温变化会对扭矩零点产生影响，试验前要根据水温变化设置扭矩仪系数，降低水温变化对试验精度的影响(在同一次试验中，由于试验时间较短，短时间内水温变化不大，忽略试验中的水温变化影响)；试验中，通过自动调节旋钮控制蝶阀开度来调节工况，得出该角度下的工况性能曲线。各角度性能曲线如图2所示(从左至右依次为-2°、0°、+2°、+4°、+6°)。

图2 变角性能曲线Fig.2 Performance curve of the variable angle

2.3 变角性能曲线的分析

试验结果表明：在各自安放角下，高效区范围均较宽，在高效区内调节扬程范围也较大；当改变叶片安放角时，各角度下的性能曲线近似平移变化，最高效率点变化不大，在最高效率点工况时对应的扬程改变也很小。总的来说，叶片角度调节能在较大的流量范围内保持水泵运行效率基本不变，调节流量效果明显，是比较经济的工况调节方法，但是在洪水突然来临且水位变化较大时，在短时间内通过改变角度来调节扬程是较难实现的。

3 变速调节

3.1 变速调节概述

随着国外大型变频器的引进，变速调节的方式在泵站中也逐渐得以使用。变速调节就是用改变水泵转速的方法来改变水泵运行工况,具有调节快速方便、调节范围宽等优点。水泵转速的改变，可以通过改变动力机转速或改变传动机构的转速比等方法实现。本次试验采用改变动力机转速的方法。由于超额定转速运转会对电机造成损害，所以只选择采用降速运行。本次试验在+4°安放角下分别做出转速为1 433(额定转速)、1 300、1 200、1 100、1 000、900、800 r/min下的能量性能曲线，曲线均在马鞍区前结束。试验步骤同变角调节方式相似，不再赘述。变速性能曲线见图3(从左至右依次为800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 433 r/min)。

图3 变速性能曲线Fig.3 Performance curve of the variable speed

3.2 试验结果分析

从变速的“流量～扬程曲线”和“流量～效率曲线”可以看到：各个转速下，最高效率变化不大，高效区的范围从高转速到低转速呈递减趋势，即高转速下高效区范围较宽；在扬程方面，高转速调节扬程范围更宽。总体来看，变速调节时，在最高效率点的流量调节范围较大，扬程改变也较大。以效率超过70%来看，各转速下流量和扬程的范围如表1所示。

由此拟合了在最高效率点时，流量和转速的关系如图4所示，即：

n=3.677 6 Q +1.524 8

图4 最高效率点流量和转速关系Fig.4 Relationship between flow rate and speed in the highest efficiency

式中：n、Q分别为转速和单位流量。

对于同一台泵，因为DP/DM=1,有水泵的比例律公式：

Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=(n1/n2)2

N1/N2=(n1/n2)3

式中：DP、DM分别表示原型泵和模型泵的叶轮直径；Q、H、N分别表示流量、扬程和轴功率；角标“1”、“2”分别表示水泵的不同转速下的工况。

通过对最高效率点流量和转速的拟合，验证了变速条件下流量和转速的关系符合变速相似原理。

根据比例律公式，用1 433 r/min 下的性能曲线验证其他转速下的性能曲线结果如图5所示。

图5 额定转速验证其他转速Fig.5 Rated speed validate others

3.3 注意事项

需要指出的是，在降速运行时，扬程曲线基本重合，但效率曲线随降速增加偏差变大。分析原因可能为：由于机械损失在不同转速下不符合变速相似关系，当转速减小过大时，导致效率变化较大。因此，降速运行要在一定范围内进行。另外，考虑在超额定转速下运转对电机损害很大，泵站在运行时也应该避免采用超额定转速运行。综合考虑，建议降速范围在额定转速的1/3以内。

4 结 语

通过模型泵装置试验，得出以下结论：当采用变角调节方式调节叶片角度时，各角度下的性能曲线高效区范围都很宽，调节流量效果明显，不同角度下最高效率点对应的扬程变化不大；当采用变速调节时，在一定范围内随着转速的降低，高效区范围逐渐变窄，转速改变在最高效率点上调节扬程效果明显，并且验证了变速相似原理。将变角调节和变速调节两种方式合理结合，可以最大可能的满足泵站在高效区运行的要求，并且起到及时调节扬程的目的，既经济安全，又稳定高效。

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[1] 储 训. 大型水泵变速调节运行方案[J]. 水泵技术，2001,(1):29-32.

[2] 袁 尧，刘 超. 水泵变角性能的相似关系研究[J]. 水力发电学报，2013,32(2):276-281.

[3] 冯晓莉，仇宝云. 大型泵站系统运行优化模型与节能效果比较[J]. 农业工程学报，2012,28(12):46-51.

[4] 刘 超. 水泵及水泵站[M].北京:中国水利水电出版社,2009:60-66.

[5] 袁 尧. 基于蚁群算法和变角相似关系的泵站优化运行研究[D]. 江苏扬州：扬州大学，2013.