特低扬程竖井贯流泵装置水力特性实验探讨

戴 勇，唐开胜

(泰兴市马甸水利枢纽服务中心，江苏 泰兴 225434)

1 项目介绍

通过与国内某枢纽的泵站相结合，对竖井贯流泵的装置水力特性加以分析，该泵站主要是为保证城市雨水的排涝。具体的设计参数为：最低扬程为Hmin=0.0m，最高扬程为Hmax=2.0m，净扬程为H=1.0m，该泵站为特低扬程型泵站。根据该泵站的主要特性决定运用竖井贯流式的泵装置。初期则通过选择泵叶轮直径3.0m和转速95r/min的4套竖井贯流泵，每台泵的流量达到25m3/s。并运用平行轴齿轮减速箱在泵和电动机间进行传动，并且传动比达到i≈7.83，电动机功率则为900kW[1-2]。

2 实验装置和模型的选择分析

本次选择在国内某实验平台开展研究。此次使用的平台为平面布置式平台，其主要是由动力和控制以及水力循环和测量等相关的主要系统加以组全而成。该平台所使用的动力设备为：动力机和潜水辅助泵以及真空泵。动力机则采用直流式电动机，而调速装置则使用591C直流式，并且配备LC60BM-CI5F光电编码器，最终对于转速的有效控制精度可以达到±0.01%。水力系统为：开敞式贮水池100m3、2m×2m×3m移动式钢箱、75m3水量调节池、25m3压力箱、25m3真控箱、p500回水管等。

平台参数：扬程-1-16m，流量0-0.8m2/s，动力机功率40kW、转速0-1600r/min。平台布置图，见图1。

图1 实验平台平面布置图

依据该泵站的现实运行情况显示，选择水力模型时应当选择高于转数ns1200以上的低扬程轴流泵的相关模型。通过一系列的对比，决定选择350ZMB-3.8模型，其扬程4.55m，流量402.49L/s，效率η=87.81%[3]。

3 本次实验测量的主要参数

1)流量Q：针对流量的实际测量选择使用LDG-500型电磁流量计，并由转换器直接的获取，并同时利用计算机进行详细的记录以及显示；另外，将统流管流速流量计安装在电磁流量计的前部，然后利用二次仪表对差压水柱和流速以及流量值进行直接的采集。

2)装置扬程Hsy：通过建立于进口压力与出水压力的水箱壁处测量点，然后选择相应的断面，街压力稳定之后与差压变送器进行直接连接，而水泵装置的扬程在忽略相应损失后的计算为：

(1)

研究使用的平台水箱由于过水断面积较大，因此υ1≈υ2。压差变送器应当安装于高压和低压进口管的统一高程范围内，所以z1=z2，水泵装置的扬程Hsy=(p1-p2)/ρg，而水泵装置扬程Hsy(m)则为差压变送器的mH2O读数。

3)扭矩T和轴功率P以及转速n：利用测功扭矩仪二次仪表对本次模型泵的轴扭矩T和轴功率P以及转速n进行直接读取，与此同时，通过在仪表的串行口与计算机进行直接连接，由此记录数据和显示。另外针对模型泵轴功率，还可以使用马达天平测功机进行有关的测验，而轴功率计算的公式则为：

(2)

式中：G为负载条件下砝码的质量，kg；G0为同转速且无水空转的砝码的质量，kg；L为马达天平臂杆的长度，取L=0.974m。

4)模型装置的效率：根据等扬程相似的准则予以确定模型泵的实验转速：

(3)

式中：nn为泵原型的转速，r/min；nm为泵模型的转速，r/min；Dn为泵原型的直径，m；Dm为泵模型的直径，m。

模型泵的装置效率根据下述公式进行计算：

ηsy=[ρgQHsy/(P-P0)]×100%

(4)

式中：ρ为水体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Q为模型流量，m3/s；Hsy为模型装置扬程，m；P为模型泵的输入轴功率，W；P0为空载的功率，W。

测试的全部参考由计算机系统加以记录和显示。

5)泵装置的有效与临界的汽蚀余量：将压差变送器低压端和存在自由水面的开敞有机玻璃容器，将高压端与进口水箱扬程的测孔连接，并保持水面以及叶轮中心保持在同一高度的状态。当实际测量出的变送器压差值为△h/m时，则泵装置实际的有效汽蚀余量计算为：

NPSHa=pa/(ρg)+△h-ρv/(ρg)

(5)

式中：pa为标准大气压，Pa，pa/(ρg)=10.33m实验时水温下的饱和蒸汽压，Pa，当水温25℃时pv/(ρg)≈0.33m。所以有效汽蚀的余量：

NPSHa≈10+△h

(6)

据相关资料表明[5]，NPSHc临界汽蚀余量根据泵效率的降低1%的汽蚀余量当作临界值。汽蚀实验中，保持流量的不变，并对封闭循环系统予以进行抽真空，进而有效汽蚀余量会跟随真空度的提高而逐步的降低，当效率降低1%有效汽蚀余量作为NPSHC。另外在必要时，可以运用频闪观测器对泵叶片的汽蚀状态进行直接的观测，由此确定实际测量的临界汽蚀余量值。

实验平台的计算机系统主要记录和显示所有的测定数据，并同时在系统上将显示和记录实际的扬程和效率以及汽蚀余量[4-5]。

4 实验的主要结果、分析

4.1 能量实验

选择模型泵叶片在不同的角度下(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)，对其能量的特性开展相应的实际测量，不同角度下效率动力的特性分析表，见表1。

表1 不同角度下效率动力的特性分析表

从表1的实际参数可以明显看出，叶片角度呈现-4°时为模型泵的最佳，效率高达78.83%。

4.2 原型装置结果

通过得用下述公式对泵站的原模型(Dn=3.0m，nn=95r/min)扬程、流量进行相应的换算：

(7)

Qn=QmnrDr3=Qm×Dr2=100Qm

(8)

式中：r为原模型的比值。

根据下述公式对原型装置的效率加以换算：

(9)

ηn=ηm×ηr

(10)

原型泵装置的最优工况效率为80.9%，与模型泵对比表明效率提高2%[6-7]。

4.3 汽蚀特性实验分析

汽蚀实验方法：通过与进口水箱的扬程取压连通管进行连接，并将汽蚀余量的取压连通管加以引出，需要注意另外设计含有自由水面的透明容器。确保水面和叶轮的中心保持在同一高度之中。对于汽蚀余量的实际测定，可以用利用Philips芯片的JC-E110A-EMS4A-92DA电容式差压变送器对泵叶轮中心水头压差△h/m进行测定，变送器的量程在-10m-+10m，将高压接口与取压连通管进行连接，并将低压接口与透明容器进行连接。通过变送器所测量出的水头绝对压力值(△h+10)即是NPSHa、NPSHc。而不同角度的叶片的不同工况NPSH临界汽蚀余量分析表，见表2。

表2 临界汽蚀余量分析表

4.4 泵装置的飞逸特性

由下述公表达单位飞逸的转速：

N0=nfDm/Hm1/2

(11)

式中：nf为实际测量实验的飞逸转速。

通过把实际没出的单位飞逸转速，单位飞逸转速分析表，见表3。从表中显示出，叶片角度-4°是单位飞逸转速的最大值，由此说明叶片的角度不断的提高则会导致单位飞逸转速逐步开始降低。

表3 单位飞逸转速分析表

4.5 结果分析

通过一系列的研究结果可以看出，叶片角度-4°为泵装置的最优工况，其最大效率ηm,max=78.8%，对应工况点的扬程Hsy=1.70m，流量Q=22.66m3/s。设计扬程Hsy=1.0m、叶片角为-4°时，流量Q=25.35m3/s，模型装置的效率为ηm=67.5%，原型装置的效率为ηn=70.7%，轴功率为P=351kW，进一步说明该泵符合设计的实际要求。

依据-4°-+4°不同的叶片角度以及扬程0.56-2.56m多工况的实验，NPSHC均保持4.0-4.8m范围内，造成NPSHC数值和不同工况点差值较小的主要因素是水泵的转速较低不高，n×D值285。进一步说明在实际的运行中，泵站不会出汽蚀的情况。

根据泵站泵装置的一系列的实验表明，对于特低扬程泵站而言，运用竖井贯流式水泵的效果最佳。并且由于该泵装置的主要结构较为简单，因此在运行中以及后期的维护中较为方便。因此十分适全在平原地区防洪排涝中。