大型斜流泵飞逸特性试验研究

梁晓玲 田瑞娇 徐靖 姜萍

摘要：斜流泵在飞逸工况下运行时因转动部件上的巨大离心力可能造成机械损坏、振动和噪声，为探究斜流泵飞逸特性，以河海大学流体机械实验室的水力机械多功能试验台为基础，测量斜流泵模型装置在不同叶片安装角度、不同扬程下飞逸转速值.计算各工况下斜流泵原型单位飞逸转速及飞逸转速.试验结果表明：同一水泵扬程下，飞逸转速随着叶片安放角度的增加而减小.在最大扬程内不同叶片安放角下，原型斜流泵最大飞逸转速均未超过额定转速的2.0倍.同一叶片安放角时，斜流泵飞逸转速均随着水泵扬程的增加而增加.单位飞逸转速随着叶片安放角度的增加而减小，与飞逸转速变化规律相同.

关键词：斜流泵;飞逸特性;相似理论

中图分类号：TV734  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）01-0080-03

1 引言

斜流泵具有离心泵和轴流泵的双重优点[1]，拥有良好的稳态性能[2]，由于其体积小，易于启动[3]且自身工作效率高等优点，已成为近年来研究的热点.对于泵站而言，正常运行情况下，需要重点关注的是水泵的能量特性和汽蚀性能，非正常运行时，飞逸特性就成为重点关注对象.当水泵电机突然断电，泵的输入功率为零时，水倒流经过泵，水泵叶轮反转进入水轮机工况，当水轮机转轮所产生的功率与转速升高所产生的机械摩擦损失相平衡时，转速达到某一稳定的最大值，此时产生的最大反转转速为飞逸转速[4-5].周[6]等对轴流泵装置在断电飞逸工况下进行了三位数之模拟研究，发现了流量、转速、转矩和测点压力等参数随时间变化规律，为机组装置运行管理及结构优化设计提供了重要依据.为了研究双向轴流泵装置飞逸特性，王[7]等利用CFX软件对泵装置全流道进行了数值模拟研究，发现叶片安放角越大，机组转速越小，叶片压力面入口尖端区域存在高压区，并且区域面积与飞逸扬程呈正相关性.罗[8]等对贯流式水轮机飞逸过渡过程进行了CFX二次开发数值模拟研究，结果表明：泵装置在飞逸过程中，转速和流量等外特性參数的变化规律与高比转速水轮机飞逸过程中参数变化规律相一致，并且发现尾水管偏心涡带会引起极强的压力脉动，严重影响机组安全稳定运行及使用寿命.徐[9]等基于FLUENT动网格技术对轴流泵装置进行了飞逸特性研究，得到了泵装置飞逸过程中的内特性及外特性参数，并与实验结果进行了对比，发现数值模拟结果与实验结果相一致，从而验证了数值模拟结果的可靠性，为泵装置瞬态过渡过程中飞逸特性研究提供了一种新的方法.斜流泵在飞逸工况下运行，工作状态多变，水泵动态荷载很大，易发生强烈的压力脉动，危及泵站安全运行[10-12].同时，水泵在飞逸转速运行时产生巨大离心力，引起剧烈振动，造成水泵轴承系统严重磨损、引起联轴器螺栓松动，若水泵在飞逸工况下运行时间过长，轴承产生的热量就不能及时被冷却，造成轴承及联轴器损坏[13].

近些年来，尽管越来越多的学者对泵装置的飞逸特性进行了深入的研究，然而多数集中于三维数值模拟研究，且研究对象多为立式轴流泵及贯流泵机组，而对于斜流泵试验研究并不多见.基于此，本文基于水力机械试验平台对斜流泵进行飞逸特性试验研究，旨在分析飞逸过程中瞬态特性，为斜流泵的设计和稳定运行提供重要参考.

2 试验装置与试验内容

2.1 试验装置

试验以河海大学流体机械实验室的水力机械多功能试验台为基础，测量斜流泵模型装置在不同叶片安装角度、不同扬程下飞逸转速值，试验综合不确定度≤4%.试验台各设备布置连接如图1所示.飞逸特性试验时，利用调节供水泵转速来控制模型泵进、出口侧水位差，改变模型泵扬程至试验扬程，测定不同扬程下模型泵输出功率为零时即水轮机工况反运行时的转速.

试验的主要参数包括扭矩M与转速n、流量Q、装置扬程H.采用RFM4110-500型电磁流量计进行流量测量，该流量计由上海光华爱尔美特仪器有限公司生产，水平布置，精度为±0.2%.采用EJA110A型差压传感器进行扬程测量，该传感器由重庆横河川仪有限公司生产，精度为±0.075%.选用JCZ-200N.m扭矩仪测量扭矩和转速，该扭矩仪由湖南长沙湘仪动力测试仪器有限公司生产，转速精度为±0.1%，扭矩精度为±0.1%.

2.2 试验参数及试验内容

模型水泵装置飞逸特性试验参数按照模型与原型nD值相同的条件设置.根据水泵相似理论，利用原型斜流泵装置参数设计计算斜流泵模型装置结构参数及运行参数.

斜流泵原型装置参数：设计流量60m3/s，配套电机功率1000kW.泵站采用直锥式出水管道、弯肘形进水管道、快速闸门断流.泵的直径2050mm，转速194.5rpm，设计扬程3.52m，最大扬程4.37m，平均扬程1.36m，最小扬程0.20m.

斜流泵模型装置参数：设计流量30m3/s，设计扬程2.5m，配套电机功率1600kW，泵段设计效率不低于0.85.电机和水泵采用齿轮箱传动，泵站采用直管式出水流道、肘形进水流道、快速闸门断流.模型叶片数为3片，等角安放，名义直径300mm，转速为1224r/min.

模型试验测定斜流泵叶片安放角度为+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°，扬程为0.70m、1.20m、1.80m、2.30m、2.80m、3.30m、3.80m、4.20m及4.60m，共做54组试验.为保证飞逸转速测量准确性，飞逸特性试验在有效汽蚀余量12m条件下进行.

3.2 原型斜流泵飞逸转速规律分析

为了分析飞逸工况对斜流泵装置可能造成的危害，必须计算出原型斜流泵飞逸转速.根据相似理论，原型泵与模型泵单位飞逸转速相等，由原型斜流泵的单位飞逸转速计算出不同工况下机组的飞逸转速.图2为不同叶片安放角度斜流泵原型机组飞逸转速随扬程增加的变化规律.由图2可知：①同一水泵扬程下，飞逸转速随着叶片安放角度的增加而减小.当水泵发生飞逸即叶轮反转进入水轮机工况运行时，叶片翼型通过绕流产生升力，推动转轮旋转.水流对于翼型有一个冲角，根据翼型的空气动力性能，当斜流泵正常运行时，冲角一般为正值或零;当斜流泵发生飞逸，作为水轮机运行时，随着飞逸转速的升高，圆周速度增加，使冲角越来越小，直至成为负值，即水流对翼型叶片的冲角不断趋向零升力角.在冲角不断减小的过程中，翼型产生的升力越来越小，使其产生功率逐渐减小，直至与各种机械损失形成平衡状态.叶片安放角度越小，水泵作为水轮机运行时达到零升力角所需要的圆周速度越大，即飞逸转速越高.②同一叶片安放角下，水泵飞逸转速均随着水泵扬程的增加而增加.水泵扬程越高，飞逸过程中水泵转为水轮机运行时水头越大，所产生的水轮机转轮功率越大，要想使转速升高产生的机械损失功率相与水轮机转轮产生功率平衡，需要的圆周速度增量越大，即水泵的飞逸转速越大.③不同叶片安放角下，在最大扬程内最大飞逸转速均未超过原型水泵过额定转速的2.0倍.

4 结论

通过斜流泵模型飞逸特性试验结果及原型飞逸转速、单位飞逸转速分析可知，对同一斜流泵装置，同一水泵扬程下，飞逸转速随着叶片安放角度的增加而减小.在最大扬程内不同叶片安放角下，原型斜流泵最大飞逸转速均未超过额定转速的2.0倍.同一叶片安放角时，斜流泵飞逸转速均随着水泵扬程的增加而增加.不同叶片安放角度，模型斜流泵单位飞逸转速不同，单位飞逸转速随着叶片安放角度的增加而减小，与飞逸转速变化规律相同.

参考文献：

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