淮安一站立式轴流泵装置模型试验研究

仲子夜 王闻通

（江苏省灌溉总渠管理处 淮安 223200）

1 工程概述

淮安一站始建于1972年12月，原装有8台64ZLB-50型立式半调节轴流泵，配套TDL-215/31-24型立式同步电机，总装机容量为6400kW，设计流量为60m3/s。2001年5月～2003年3月，淮安一站进行了更新改造。改造后，泵站设计扬程为4.89m，安装1750ZLQ-11.2-5.3型立式全调节轴流泵8台，设计总流量为89.6m3/s，配套TL1000-24/2150型立式同步电机，单机功率1000kW，总装机容量为8000kW。淮安一站采用堤身式块基型结构，肘形进水流道，平直管出水流道。

因近几年机组检修周期缩短，经江苏省水利厅批复，对其中一台机组进行改造，更换转轮体、导叶体、上机架等部分设备。

2 模型泵装置试验

2.1 模型试验

模型试验装置按相似要求设计并构建。几何相似的模型泵由相关水泵厂中标提供，叶轮外壳采用中开结构，以利拆装及叶片角度调节。按相似原理全模拟进出水流道，模型泵装置见图1。

图1 模型泵装置三维透视图

2.2 泵装置模型试验系统

淮安一站泵装置模型试验在河海大学水利水电工程学院水力机械多功能试验台进行。试验台按照SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》以及《水轮机模型验收试验规程》（GBT15613-1995）进行设计与建造，试验综合误差≤4‰，见图2。

图2 试验台装置示意图

试验台不仅可以做立式、卧式水泵、水轮机模型装置特性试验，而且可以做可逆式水泵、水轮机模型装置、正反向水泵工况和正反向水轮机工况等多功能的特性试验。

2.3 试验方法

试验方法按照《水泵模型及装置模型验收试验规程》（SL140-2006）和《水轮机模型验收试验规程》（GBT15613-1995）执行。

2.3.1 能量试验

流量从大到小依次测试10个点。采用等扬程（水头）方法进行模型试验研究，即保持原、模型nD值相等。模型试验转速为：

模型泵装置效率：

式中：Q—模型泵流量，（m3/s）；

H—模型泵装置扬程，（m）；

n—模型泵转速，（r/min）；

N0—空载功率（W）。

2.3.2 汽蚀试验

汽蚀试验采用能量法，通过系统回路内抽真空，逐步减少有效汽蚀余量，根据效率下降1%确定临界汽蚀余量。

有效汽蚀余量由下式计算：

hv—真空表测点的真空度，（m）；

h—泵叶轮中心至真空表进水口高差，（m）。

2.3.3 水泵工况飞逸特性试验

当水泵突然断电时，水泵出口水流倒灌进入水轮机工况，水流能量除了消耗于机械损失外，使机组加速达到最大转速称飞逸转速。试验应稳定在某一扬程时测出叶片不同转角下的飞逸转速nfM，并计算单位飞逸转速，其他各种扬程的飞逸转速可由下式进行换算：

2.3.4 压力脉动试验

在叶轮进口和出水流道处各布置1个压力脉动试验测点，分别测定-4°、-2°、0°、+2°和+4°五个叶片安放角下扬程为2.0m、3.5m、4.5m、4.89m、5.5m及6.67m的压力脉动值。

3 模型试验结果

3.1 能量特性试验结果

测试淮安一站模型泵装置6个不同叶片角度下的泵装置能量特性，各个角度下的测量工况点均大于15个。整理实验结果得到的泵装置模型综合性能曲线见图3，按GB/T3216-2005国家标准进行换算得到的原型综合性能曲线见图4。

图3 泵装置模型综合性能曲线图

图4 国家标准换算得原型综合性能曲线图

3.2 汽蚀特性试验结果

通过试验数据整理得出水泵模型装置的主要性能参数如表1所示。

表1 水泵模型装置的主要性能参数表

3.3 飞逸特性试验结果

不同叶片安放角下单位飞逸转速计算结果见表2，不同水头下的原型水泵飞逸转速计算结果见表3，飞逸特性曲线见图5。

表2 不同叶片安放角下模型单位飞逸转速（r/min）计算表

表3 不同水头下原型水泵飞逸转速表（r/min）

3.4 水压脉动试验

该试验结果按97%置信度混频给出。

图5 飞逸特性曲线图

压力脉动相对幅值A定义为压力脉动波形的双振幅峰峰值与试验水头的比值：

式中：H为试验扬程（m），ΔH为压力脉动双振幅峰峰值（m）。

试验采集了水泵叶片安装角为 -4°、-2°、0°、2°、4°时扬程分别为2.0m、3.5m、4.5m、4.89m、5.5m以及6.67m下的叶轮进口和出水流道压力脉动信号。

在设置的水泵模型装置下，由转轮进口与出水流道各测点处压力脉动与扬程的关系图（略），可知受叶片旋转的影响，叶轮进口、出水流道处压力脉动相对幅值没有呈现出明显的变化趋势，叶轮进口-4°时压力脉动相对幅值随扬程增加而先增加，然后在5.5m左右开始随扬程增加而减小，其最大值为1.23，其他相对幅值均在0.4～1.2之间波动。

4 结论及建议

（1）模型最高装置效率为79.98%，对应的叶片安放角为-4°，对应的扬程为H=4.89m，模型流量为0.317m3/s，对应原型流量为9.48m3/s。

（2）根据不同叶片角度下的水泵装置性能参数，叶片安放角为0°时，设计扬程4.89m，效率为78.39%，模型流量为0.376 m3/s，原型流量为11.24 m3/s，满足工程要求。

（3）水泵模型装置最小汽蚀余量发生在叶片安放角为-2°时，临界汽蚀余量为4.70m，对应扬程为H=2m。

（4）叶片安装角为-4°、扬程为7.0m时，原型泵最大飞逸转速456.51rpm（1.83倍额定转速），在最大扬程以内最大飞逸转速均未超过额定转速的1.86倍。叶片安装角为0°、扬程为4.89m时，原型泵飞逸转速358.56rpm（1.43倍额定转速），在设计扬程时飞逸转速未超过额定转速的1.5倍。

（5）参照南水北调和重要工程泵站的模型试验结果，我国模型装置效率大致指标：轴流泵，扬程（m）为 3、4、5、6、7，对应效率分别为为74、75、76、77、78。参照本次模型试验结果，叶片安放角度为 -6°、-4°、-2°、0°、+2°、+4°时，在设计扬程（4.89m）下，其效率均不低于77.4%。该泵站采用的水泵模型达到了同类泵站中的较高水平■