轴流泵装置性能曲线马鞍形区的特点及应用

吉冬涛，陆伟刚*，陆林广，徐磊，刘军，施伟

(1. 扬州大学水利科学与工程学院， 江苏 扬州 225009； 2. 南水北调东线江苏水源有限责任公司， 江苏 南京 210019)

轴流泵装置在中国平原地区灌溉、排涝、市政给排水、水环境改善以及南水北调等跨流域调水工程中应用广泛[1-2].目前对立式轴流泵装置、竖井式贯流泵装置和斜式轴伸泵装置已有较多研究[3-5]，但关于轴流泵及轴流泵装置扬程-流量曲线马鞍形区的研究还较少.杨华等[6]通过模型试验测量得到泵段性能曲线，表明泵段性能曲线存在“双马鞍形”，并利用PIV技术测量了轴流泵叶轮室进口的轴面流场，发现在0.55倍设计流量时叶轮进口处开始出现回流，水流由叶轮外缘流出.郑源等[7]基于标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法对轴流泵装置水力特性进行研究，结果表明，在50%～65%设计流量处装置扬程曲线存在马鞍形区，而轴流泵在该区域不能稳定运行，产生剧烈的噪声.陈伟等[8]研究表明，轴流泵叶轮室进口在小流量工况下发生预旋现象是泵内发生“二次回流”的内特性表现，泵扬程曲线出现马鞍形区为其外特性表现.关醒凡[9]通过理论分析提出，大型轴流泵运行应避开马鞍形区，且马鞍形区的性能曲线测量具有误差，而泵站建设追求的是泵装置的高效率，因此轴流泵选型应匹配进出水流道进行装置模型试验，相对而言轴流泵装置的性能曲线更加可信.

为了使大流量、低扬程泵站的水泵选型在确保安全的前提下更为合理，文中根据已有的泵段模型试验和泵装置模型试验结果，对两者扬程-流量性能曲线中马鞍形区之间的联系与区别进行对比研究，为泵站的水泵选型提供一定的理论参考.

1 轴流泵测试段扬程-流量性能曲线特点

1.1 南水北调水泵模型同台测试

为保证南水北调东线工程泵站的设计质量，2004年水利部调水局组织开展了水泵模型同台测试工作，以统一鉴定标准及鉴定精度，使各模型的基本参数具有较好的可比性，从而为大流量、低扬程泵站的水泵选型提供科学依据[10].

同台测试任务由中水北方勘测设计研究有限责任公司(以下简称“中水北方”)承担.中水北方的水力模型通用试验台通过由水利部组织的技术鉴定，其效率测试随机不确定度优于±0.1%，综合不确定度优于±0.3%[11].试验台由水力循环系统、动力及控制系统、数据采集与计算机测量分析系统以及计算机控制系统组成.

1.2 轴流泵泵段模型测试装置

轴流泵泵段模型试验测试段如图1所示，主要由进水直管、进水收缩管、叶轮、导叶体、出水弯管及出水直管组成.根据《水泵模型及装置模型验收试验规程》(SL 140—2006)规定：在水泵模型水力性能的同台测试中，将水泵模型扬程的进口测压断面和出口测压断面分别设于2倍管径长度的进水和出水直管处，且不对测量断面和水泵模型进、出口法兰之间的水头损失进行修正.

图1 泵段模型试验测试段的组成

泵段模型试验测试段在中水北方试验台的布置如图2所示.轴流泵模型的叶轮直径均为300 mm，试验转速均为1 450 r/min.

图2 泵段模型试验测试段在试验台的布置

1.3 轴流泵扬程-流量性能曲线特点

对南水北调工程同台测试的25种轴流泵水泵模型的试验结果进行对比分析，可以看到轴流泵模型扬程-流量性能曲线普遍表现以下特点：

1) 轴流泵扬程-流量性能曲线分为稳定工作区与非稳定工作区.当流量小于0.6Qd(Qd为轴流泵最优工况点流量)时，轴流泵由稳定工作区开始进入非稳定工作区(也称为“马鞍形区”).

2) 在稳定工作区，轴流泵扬程随着流量的减小单调上升，并且扬程-流量性能曲线的斜率比较平缓，各个叶片角度扬程-流量性能曲线的变化趋势基本相同.

3) 在非稳定工作区内，轴流泵扬程-流量性能曲线具有2个马鞍形，为便于分析，将2个马鞍形分别称之为第一马鞍形和第二马鞍形(见图3).

图3 4种常用低扬程水泵模型扬程-流量性能曲线

限于篇幅，图3仅给出常用的4种低扬程水泵模型的扬程-流量性能曲线，其马鞍形区的鞍底扬程如表1所示，表中α为叶片安装角度.可以看出，轴流泵扬程-流量性能曲线的第二鞍底扬程均小于第一鞍底扬程，其正常运行范围内各叶片角度的第一鞍底扬程最小值高于第二鞍底扬程最小值，其差值为1.4～2.2 m.一般而言，水泵的选型需控制泵站运行的最高扬程低于水泵的最低鞍底扬程，从而使水泵在所有工况下可以避开在马鞍区工作，以确保水泵与泵站的运行稳定.

表1 4种常用低扬程轴流泵马鞍形区鞍底扬程

2 轴流泵装置扬程-流量性能曲线特点

2.1 轴流泵装置性能模型试验装置

根据《水泵模型及装置模型验收试验规程》(SL 140—2006)的规定，在泵装置模型水力性能试验中，泵装置模型扬程的进口测压断面1-1和出口测压断面2-2分别取在进口水箱和出口水箱处，如图4所示.

图4 泵装置模型的扬程测压断面

为了保证轴流泵测试段水力性能与泵装置水力性能的可比性，文中所采用的模型试验数据均来自中水北方水力模型通用试验台完成的模型试验.轴流泵模型试验和泵装置模型试验所采用的测试方法、设备、精度等均相同.

2.2 轴流泵装置扬程-流量性能曲线特点

图5为4种常用低扬程水泵模型的泵装置扬程-流量性能曲线，其中图5a为采用TJ04-ZL-06水泵模型的邓楼泵站立式泵装置模型，图5b为采用TJ04-ZL-07水泵模型的邳州泵站竖井贯流泵装置模型, 图5c为采用TJ04-ZL-19水泵模型的长沟泵站立式泵装置模型, 图5d为采用TJ04-ZL-20水泵模型的长山河泵站斜式泵装置模型.

图5 4种常用低扬程水泵模型的泵装置扬程-流量性能曲线

由图5可以看出：轴流泵装置扬程-流量性能曲线的马鞍形区只有1个鞍底；邓楼站泵装置鞍底扬程由叶片安装角度-6°～+2°依次为7.00，7.50，7.50，7.40，8.00 m；邳州站泵装置鞍底扬程由叶片安装角度-4°～+4°依次为6.00，6.10，6.25，6.40，6.70 m；长沟站泵装置鞍底扬程由叶片安装角度-6°～+2°依次为10.00，9.20，9.60，8.80，8.60 m；长山河站泵装置鞍底扬程由叶片安装角度-8°～+4°依次为9.00，9.50，10.00，10.05，10.00，10.00，9.00 m.

3 泵装置与相应轴流泵扬程曲线马鞍形区的对比分析

对比图3与图5可以看出：

1) 轴流泵装置扬程-流量性能曲线仅具有1个马鞍形.

2) 轴流泵扬程-流量性能曲线有2个马鞍形，第一马鞍形的鞍底扬程与轴流泵装置扬程-流量性能曲线的鞍底扬程接近，第二马鞍形的鞍底扬程明显低于第一马鞍形的鞍底扬程.

为了对泵装置与相应轴流泵扬程-流量性能曲线马鞍形区产生差异的原因进行分析，选取2种泵装置模型进行试验，分别为采用TJ04-ZL-06水泵的竖井式贯流泵装置模型和采用TJ04-ZL-07水泵的立式泵装置模型.2种试验装置均为立式循环系统，包括进水箱、泵装置模型、出水箱、电磁流量计、工况调节闸阀及管道等.进水流道、出水流道均采用透明有机玻璃制成，流道内壁粘贴红线，以观察泵装置稳定工作区与非稳定工作区的流态[12].试验在扬州大学透明流道实验室进行.

轴流泵在正常工况下运行时，进水流道内壁粘贴的红线平顺稳定，表明轴流泵叶轮室进口前的水流均匀流畅进入泵内，无回流等不良流态，如图6a和图7a所示.通过流量控制阀逐渐减小流量，使轴流泵逐步进入马鞍形区.当流量减少至0.60Qd时，进水流道内的红线开始摆动，水流逐渐紊乱；随着流量进一步减小，进水流道两侧边壁的红线流动方向指向进水流道进口，流道中部的红线流动方向仍然指向叶轮室进口，同时红线的剧烈摆动，叶轮室及进水流道内出现了明显的二次回流现象，如图6b和图7b所示；当流量减小至0.35Qd时，二次回流范围向进水流道进口方向进一步扩大；当流量减小至0.10Qd时，二次回流范围已接近于进水流道进口.

图6 竖井式贯流泵装置进水流态

图7 立式轴流泵装置进水流态

在进行轴流泵性能模型试验时，进口测压断面距叶轮室进口较近，当流量小于0.35Qd时，二次回流的影响范围到达进口测压断面，使该测压断面管壁附近的流速变小，压力变大，从而导致水泵测试段扬程的测量值变小，并在流量0.10Qd处使扬程-流量性能曲线出现第二马鞍形.由此可以认为，扬程-流量性能曲线中表现出的第二马鞍区域的形状是由于水泵模型性能测试时测压断面受二次回流影响而产生的测量假象.

在进行轴流泵装置性能模型试验时，进口测压断面设置在进水流道前的进水箱上，距叶轮室进口较远.当泵装置工况进入马鞍形区时，叶轮室进口前的二次回流影响范围未达到位于进口水箱的测压断面处，所测得的进口压力值正常，泵装置的扬程-流量性能曲线马鞍形区未出现2个马鞍形.

4 泵装置与相应轴流泵马鞍形区差异对水泵选型的影响

为达到最高扬程工况时避开马鞍形区、实现稳定运行的要求，一般在水泵选型中使最高扬程低于水泵扬程-流量性能曲线马鞍形区的最低鞍底扬程0.5 m.在依据轴流泵扬程-流量性能曲线进行选型时，第二鞍底扬程低于第一鞍底扬程，根据选型原则[9]，显然应以第二鞍底扬程为考虑最高扬程工况运行条件时的控制扬程.

同时，由于轴流泵扬程-流量性能曲线马鞍形区的第二马鞍形是在水泵模型性能测试时受二次回流影响而产生的测量假象，在采用相同轴流泵模型的泵装置扬程-流量性能曲线的马鞍形区中并未出现2个马鞍形.若以第二鞍底扬程为控制扬程，则须采取提高水泵nD值的方法来提高鞍底扬程，从而导致不合理地提高水泵扬程，特别不利于较低扬程工况(包括设计工况、平均扬程工况和最低扬程工况)的能量性能和汽蚀性能[13].

较为可靠的办法是根据采用相同轴流泵的相同泵装置的扬程-流量性能曲线考虑最低控制扬程，以满足泵装置最高运行扬程低于泵装置鞍底扬程的基本要求.目前低扬程泵装置的模型试验资料比较丰富，查找可供参考的相关泵装置模型试验资料并不困难.为说明泵扬程-流量曲线马鞍形区2个马鞍形对水泵选型的影响，文中给出以下示例.

某低扬程泵站A的单泵设计流量为33.5 m3/s，最高净扬程、设计净扬程和最低扬程分别为4.90，3.66和1.56 m.采用立式全调节轴流泵装置，根据该泵站的流量和特征扬程，拟选用南水北调水泵模型同台测试的TJ04-ZL-06模型.

泵站A水泵选型方案一：以水泵扬程-流量曲线马鞍形区第二鞍底扬程为水泵选型最高扬程的控制扬程，水泵选型结果为：水泵叶轮直径2 850 mm，转速为150 r/min，nD值为427.5，水泵选型曲线如图8a所示.可以看出，第二鞍底扬程为5.80 m，最高扬程工况低于鞍底扬程0.90 m，满足低于鞍底扬程0.50 m的要求.

泵站A水泵选型方案二：以水泵扬程-流量曲线马鞍形区第一鞍底扬程为水泵选型的最高扬程的控制扬程，水泵选型结果为：水泵叶轮直径为3 150 mm，转速为120 r/min，nD值为378，水泵选型曲线如图8b所示.可以看出，泵站设计工况位于水泵运行高效区，第一鞍底扬程为5.75 m，最高扬程工况低于第一鞍底扬程0.85 m，满足低于鞍底扬程0.50 m的要求.

图8 泵站A的2种水泵选型方案

由图8可以看出：方案一将第二鞍底扬程作为控制扬程，该方案虽可满足最高扬程低于鞍底扬程0.50 m的要求，但过于保守；方案二将第一鞍底扬程确定为控制扬程，符合泵装置的实际性能，可以满足最高扬程低于鞍底扬程0.50 m的要求，同时又可保证设计扬程工况位于性能曲线的高效区，因此该方案更具合理性.

由此可见，理解轴流泵装置与相应轴流泵扬程-流量性能曲线马鞍形区之间的差异对低扬程泵站的水泵选型具有重要意义.在低扬程泵站水泵选型考虑泵站最高运行扬程的控制扬程时，应将轴流泵扬程-流量性能曲线马鞍形区的第一鞍底扬程作为控制扬程，如有相近泵装置模型试验的扬程-流量性能曲线，则可参考相关泵装置模型试验资料提供的鞍底扬程.

5 结 论

1) 轴流泵装置扬程-流量性能曲线只有1个马鞍形，而相应轴流泵扬程-流量性能曲线具有2个马鞍形，第一鞍底扬程与泵装置的鞍底扬程接近，而第二鞍底扬程则明显低于泵装置的鞍底扬程.

2) 透明泵装置模型试验的流态观察结果表明，轴流泵扬程-流量性能曲线马鞍形区出现的第二马鞍形是在水泵模型性能测试时受二次回流影响而产生的测量假象.

3) 在低扬程泵站水泵选型考虑泵站最高运行扬程的控制扬程时，应将轴流泵扬程-流量性能曲线马鞍形区的第一鞍底扬程作为控制扬程，如有相近泵装置模型试验的扬程-流量性能曲线，则可参考相关泵装置模型试验资料提供的鞍底扬程.