睢宁县凌城泵站轴流泵装置模型试验

孙丹丹，陈世杰，王 斌，谢传流，杨 帆

(1.徐州市水利建筑设计研究院，江苏 徐州 221002;2.扬州大学，江苏 扬州 225127)

立式轴流泵装置在我国大型低扬程泵站中应用广泛，具有运行稳定可靠、安装检修方便、投资节省和制造技术成熟等优点，适用于低扬程、运行时间长的泵站。我国已建大型轴流泵站300多座，但在较低扬程的条件下运行时，立式轴流泵装置不易得到较高的水力效率。为了确保泵站实际运行时的高效、稳定和安全，需进行泵装置物理模型试验。该试验可以确定泵站实际运行时的能量和汽蚀性能，检验泵装置在正常运行工况下能否高效安全稳定运行[1-5]。

1 概 况

凌城泵站位于徐州市睢宁县境内，为立式轴流泵装置，采用肘形进水流道，圆直管出水流道。泵站安装5台1300ZLB型立式轴流泵机组，配套YL710-16型高压电机，单机功率500 kW，电机转速370 r/min，叶轮直径为1 150 mm，单机设计流量5 m3/s。

凌城泵站设计净扬程为5.2 m，最高净扬程为7.4 m，最低净扬程为2.8 m，平均净扬程为5.2 m。

2 模型泵装置试验

2.1 试验概况

泵装置模型比尺为1∶3.833，水力模型采用扬州大学研发的ZM55轴流泵水力模型，模型泵名义叶轮直径为300 mm，实际叶轮直径为299.65 mm，轮毂比为0.4，叶片数为4，用黄铜材料经数控加工成型。DYZM55导叶轮毂直径为110 mm，叶片数为7，用钢质材料焊接成型。进出水流道采用钢板焊接制作，模型泵叶轮室设有观察窗，便于观测叶片处的水流和汽蚀，模型泵装置见图1。模型泵安装检查：导叶体与叶轮室定位面轴向跳动0.10 mm，叶轮轮毂外表面径向跳动0.08 mm，叶顶间隙控制在0.20 mm以内。

图1 凌城站泵装置模型Fig.1 Model of pump plant in Lingcheng station

2.2 试验台布置

泵装置模型试验在扬州大学测试中心的高精度水力机械试验台上进行。试验台为立式封闭循环系统，见图2。

图2 高精度水力机械试验台Fig.2 High precision hydraulic machine test stand 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-称重传感器；6-流量原位标定装置；7-工况调节闸阀；8-稳压整流筒；9-电磁流量计；10-系统正反向运行控制闸阀；11-辅助泵机组

该试验台水力封闭循环系统的总长度为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管道，整个系统水体积为50 m3。

试验台可进行泵装置模型性能试验、汽蚀试验、飞逸试验；水轮机工况试验；模型泵装置过渡特性、内特性试验；可对电磁流量计进行原位校验。试验台通过了由江苏省科技厅组织的鉴定，效率测试系统综合误差为±0.39%，满足国家标准GB/T18149-2000和中华人民共和国水利部行业标准SL140-2006的精度要求，通过国家计量认证，认证证书在有效期内。

2.3 试验方法

2.3.1 试验转速

采用直流整流器调节模型泵装置试验电机转速，泵装置模型试验额定转速为1 418.3 r/min，实际试验转速为1 200 r/min，试验结果换算到标准转速1 450 r/min。

2.3.2 扬程测量

泵装置扬程H等于泵装置进出口2个测压断面的总能量差，测压断面见图3，1-1断面为进口测压断面，2-2断面为出口测压断面，因此，泵装置扬程就相当于泵站上下游水位差，即净扬程。

总能量差等于两断面的静压差与动压差的代数和[6]：

(1)

图3 测压断面示意Fig.3 Sketch map of pressure measuring section

2.3.3 流量测量

泵装置模型的流量采用DN400电磁流量计直接测量。

2.3.4 轴功率测量

泵装置模型机械损失转矩主要由轴承与轴封摩擦损失等造成，在机组无水运转时测出。每次调整叶片安放角度后先测试空载转矩，再充水进行性能试验。泵轴的转速和输入转矩，由安装于驱动电机和水泵轴之间的ZJ型转速转矩传感器直接测得。轴功率由下式计算[7]：

(2)

式中：M为模型泵输入转矩，N·m；M′为模型泵机械损失转矩，N·m；n为模型泵试验转速，r/min。

2.3.5 转速测量

通过电磁感应原理测得安装于转速转矩传感器轴上的齿轮在采样周期T内转过的齿数m，在齿轮的齿数为120齿时，在采样周期时间段内泵轴的转速即为：

(3)

2.3.6 汽蚀余量测量

汽蚀试验保持流量不变，通过封闭循环系统内抽真空，逐步减小系统压力的方法，汽蚀试验保持流量不变，使泵内发生汽蚀。不同系统压力下的泵装置有效汽蚀余量值由下式计算[8]：

(4)

式中：NPSHav为泵装置有效汽蚀余量，m；Pav为泵装置进水箱测压点的绝对压强，由绝对压力变送器测得，Pa；v为泵装置进水箱测压断面平均流速，m/s；Pv为试验水温下水的饱和蒸汽压强，Pa；h为绝对压力变送器高于泵叶片旋转中心线(泵轴)的高度，m。

测试过程中，流量保持常数，效率下降1%确定为临界汽蚀余量NPSHre。

2.3.7 飞逸特性测量

飞逸试验水头由辅助泵提供，脱开扭矩仪与电机之间的联轴器，调整辅助泵的转速，测得不同水头下模型泵装置反转且输出力矩为零时的转速和流量。飞逸特性可用单位转速和单位流量表示，按下式计算[9,10]：

实验教学是理论教学的必要补充，在高等教育阶段是培养学生思维能力的不可忽视的重要环节．文中叙述了数字图像处理实验教学中开展思维教学的必要性，从实验性质、实验原理和实验目的等方面详细介绍了所开设的设计性实验项目，并以直方图绘制实验项目的实验教学为例，详细地探讨了面向思维教学的实验教学过程的4个步骤．实践表明，将思维教学引入数字图像处理的实验教学中获得了较好的教学效果，是有益的教学方法尝试．

(5)

(6)

式中：n′1,R为单位转速，r/min；Q′1,R为单位流量，m3/s；D为叶轮名义直径，m；H为上下游总水头差，m；nR为H值下测得的转速，r/min；QR为H值下测得的流量，m3/s。

由式(5)、式(6)计算出单位转速和单位流量，取出单位转速趋于稳定时的数值作为单位飞逸转速n′1。原型泵不同扬程点的实际飞逸转速可由下式确定：

(7)

式中：nR,P为原型泵的实际飞逸转速，r/min；DP为原型泵叶轮直径，m；HP为原型泵工作点的扬程，m。

2.3.8 水泵装置模型效率计算

水泵装置模型效率为扣除机械损失转矩后的数值，由下式计算[11-15]：

(8)

式中：η为水泵装置模型效率，%；Q为模型泵装置流量，m3/s；H为模型泵装置扬程，m；ρ为试验实时水体密度，kg/m3；g为当地重力加速度，m/s2。

当水温变化较大时，应按实测水温修正密度ρ。本试验台回路系统容积较大，一次试验过程中水温变化较小。试验水温以开机后稳定运行20 min后的实测水温取值，并认为一次试验过程中系统水温为恒定。

3 模型试验结果

3.1 能量性能试验

模型试验测试了5个叶片安放角度(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)的能量性能。图4为相应的原始数据图。同一转速，相同工况下，随着叶片安放角度的增加，扬程逐渐增大。各角度最优工况参数见表1。在叶片安放角为+2°时立式轴流泵装置最高效率达80.2%，此时泵装置的流量为383.29 L/s，扬程为5.303 m。根据试验结果整理得到凌城站水泵装置模型综合特性曲线，见图5(转速为1 450 r/min，叶轮直径为300 mm)。凌城站原型泵装置综合特性曲线，见图6(转速为370 r/min，叶轮直径为1 150 mm)。

图4 凌城站水泵装置模型能量性能试验数据Fig.4 The energy performance test data diagram of pump plant model in Lingcheng station

叶片角度/(°)最优效率点参数流量/(L·s-1)扬程/m轴功率/kW效率/%-4297.545.42119.95579.08-2308.956.03323.13478.820364.384.87622.05478.81+2383.295.30324.80480.17+4394.735.62527.41379.23

图5 凌城泵站泵装置模型综合特性曲线Fig.5 Thecomprehensive characteristic curve of pump unit model in Lingchengpumping station

图6 凌城站原型泵装置综合特性曲线Fig.6 The integrated characteristic curve of prototype pump unit at Lingcheng station

3.2 汽蚀性能试验

水泵装置模型的汽蚀试验采用定流量的能量法，取水泵装置模型效率较其性能点低1%的有效汽蚀余量作为临界汽蚀余量(以叶轮中心为基准)。图7～图11为各叶片角度不同流量点的汽蚀试验原始数据，图12为临界汽蚀余量曲线。在综合特性曲线中用等临界汽蚀余量曲线表示。

图7 -4°汽蚀性能试验数据Fig.7 -4°data diagram of cavitation performance test

图8 -2°汽蚀性能试验数据Fig.8 -2°data diagram of cavitation performance test

图9 0°汽蚀性能试验数据Fig.9 0°data diagram of cavitation performance test

图10 +2°汽蚀性能试验数据Fig.10 +2°data diagram of cavitation performance test

图11 +4°汽蚀性能试验数据Fig.11 +4°data diagram of cavitation performance test

图12 凌城站水泵装置模型临界汽蚀余量曲线Fig.12 The critical cavitation curve of pump device in Lingcheng station

试验结果表明，模型泵装置在设计扬程附近汽蚀性能最优，临界汽蚀余量在6.0 m以下，在较大的运行范围内，该轴流泵的汽蚀性能均可满足泵装置安全运行的要求。

3.3 飞逸特性试验

通过对实验台测试系统的切换，调节辅助泵使水泵运行系统反向运转，扭矩仪不受力，测试不同扬程下模型泵的转速，各叶片安放角下的单位飞逸转速见表2。按公式计算得到各角度下原模型泵飞逸转速见表3，根据试验结果整理可得凌城站原型泵飞逸特性曲线，如图13。

试验结果表明，同一叶片安放角下，飞逸转速随扬程的增 加而增加；泵装置单位飞逸转速随叶片角度增大而减小；在叶片角度为+4°，最高净扬程为7.40 m时，最小飞逸转速为636.3 r/min，为额定转速1.72倍；在叶片角度为-4°，最高净扬程为7.40 m时，最大飞逸转速为704.9 r/min，为额定转速1.91倍。

表2 各叶片安放角下的单位飞逸转速数据Tab.2 The blade unit runaway speed data under the table angle

表3 各叶片安放角下原模型泵飞逸转速数据(最高净扬程7.4 m时)Tab.3 The blade angle under the original model of pumprunaway speed data table (highest net lift 7.4 m)

图13 凌城站原型泵飞逸特性曲线Fig.13 The runaway characteristics of prototype pump in Lingcheng station

4 结论与建议

在优化进出水流道的基础上制作了模型泵装置并进行了物理模型试验，获得了凌城站水泵模型装置的能量、汽蚀和飞逸特性。

(1)能量试验结果表明，在叶片安放角+2°时，该泵装置的最高效率达80.2%，此时泵装置扬程为5.303 m，流量为383.29 L/s；在设计扬程5.20 m时，该原型泵装置流量为5.4 m3/s，满足凌城站单机组设计流量要求；模型泵最大运行扬程超过8.7 m，对应原型泵装置扬程为8.324 m，满足凌城站最大扬程7.40 m的运行要求。

(2)汽蚀试验结果表明，模型泵装置在叶片安放角0°时，在设计扬程附近临界汽蚀余量在5.50 m以下，汽蚀比转速大于1 500。在净扬程2.80～7.40 m时，该轴流泵的汽蚀性能均可满足泵装置安全运行的要求。

(3)飞逸试验结果表明，泵装置单位飞逸转速随叶片角度增大而减小。在叶片角度为-4°，最高净扬程为7.40 m时，最大飞逸转速为704.9 r/min，为额定转速1.91倍，此飞逸转速较大，应对电机结构进行改善设计。

(4)原型泵装置在叶片安放角+2°时，可能出现的最大轴功率为426 kW，考虑配套电机功率500 kW余量充裕，建议原型泵叶片安放角放在+1°运行，这样在设计扬程5.2 m时，流量可达到5.21 m3/s，泵装置效率可达到79.0%，临界汽蚀余量同样满足水泵安全运行的要求。

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[1] 周济人, 汤方平, 石丽建,等. 基于CFD的轴流泵针对性设计与试验[J]. 农业机械学报, 2015,46(8):42-47.

[2] 戴 景, 戴启璠. 南水北调东线淮安二站泵装置模型试验研究[J]. 人民长江, 2016,47(12):95-98.

[3] 姜成启, 张 占, 陈方亮,等. 南水北调东线工程睢宁二站导叶式混流泵装置模型试验分析[J]. 水泵技术, 2012,(4):15-17.

[4] 徐 磊, 陆林广, 陈 伟,等. 邳州站竖井式贯流泵装置模型试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2012,31(2):120-123.

[5] 刘 君, 段宏江, 刘立峰,等. 低扬程立式轴流泵装置模型试验研究[J]. 水泵技术, 2011,(6):1-6.

[6] 高 钦, 郭 江, 李平双. 博斯腾湖东泵站泵装置模型试验研究[J]. 水泵技术, 2005,(5):43-45.

[7] 刘润根, 马晓忠, 詹 磊. 黄家坝30°斜式轴流泵装置模型试验研究[J]. 中国农村水利水电, 2016,(2):109-111.

[8] 陈容新, 关醒凡, 王 伟,等. 双向竖井贯流泵站模型泵装置模型试验[J]. 排灌机械工程学报, 2007,25(1):33-37.

[9] 杨 帆, 汤方平, 刘 超,等. 大型低扬程立式蜗壳混流泵装置模型试验研究及分析[J]. 水力发电学报, 2013,32(3):234-240,257.

[10] 刘润根, 张弋扬. 南昌市新洲老泵站改建工程潜水泵装置模型试验研究[J]. 水泵技术, 2015,(3):44-48.

[11] 王丽慧, 施 伟, 沈昌荣,等. 立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测[J]. 排灌机械工程学报, 2016,34(9):767-773.

[12] 石丽建, 汤方平, 谢荣盛,等. 基于CFD计算的轴流泵改型设计和效果[J]. 农业工程学报, 2015,31(4):97-102.

[13] 徐 磊, 陆林广, 王 刚,等. 泵段、水泵模型测试段与泵段效率修正[J]. 水力发电学报, 2012,31(3):209-216.

[14] Kaya D. Experimental study on regaining the tangential velocity energy of axial flow pump[J]. Energy Conversion & Management, 2003,44(11):1 817-1 829.

[15] Furukawa A, Shigemitsu T, Watanabe S. Performance test and flow measurement of contra-rotating axial flow pump[J]. Journal of Thermal Science, 2007,16(1):7-13.