引黄灌区含沙水流对离心泵性能影响试验

吕 艳，张 靖，张庆华

(1.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南 250014；2.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

0 引 言

工程实践和相关试验证明，泥沙除了对水泵的过流部件有磨蚀破坏外，还对水泵的流量、扬程、水泵的效率和水泵的轴功率、水泵的气蚀余量有明显的影响。目前我国以及国外生产的各种水泵一般按清水设计，所提供的水泵性能、参数都是清水条件下的数据，未考虑水中泥沙的影响。因此，在引黄灌区中当含沙量较大时，仍沿用清水泵的参数进行工程设计是不合理的。

关于泥沙对水泵性能参数的影响，清华大学水机教研组(1988)、天津勘测设计院水机磨蚀试验所(1992)等单位，选用天然黄河沙作为试验介质进行了室内试验。前者的泥沙中值粒径d50=0.058 mm，对10SH-19、6SH- 6、250S-14、6SH-9几种泵进行了不同含沙浓度下水泵性能试验。后者试验水泵为10SH-13、6SH-9和4PW单吸水泵，含沙量分别为0、5、20、60、100、150、200、300 kg/m3。国内外专家学者也开展了相应的研究工作。Burgess等[1]通过水泵输送固液两相流的试验观察到，与清水相比水泵扬程的减少程度比效率减少程度大；Sellgren[2]研究发现，水泵扬程的下降与水流中的固体密度、比重、阻力系数有关；Chand[3]等研究发现，水流加入固体颗粒后，水泵的扬程和效率升高；张铁华[4]研究了浑水水泵试验的测量误差分析，提出了浑水水泵试验的测量误差分析方法及相应的计算公式；陈涟等[5]选用d50=0.032、0.091 mm两种中数粒径的黄河泥沙，含沙量分别为7、26 kgm3进行试验，分析了粒径和含沙量对水泵性能的影响；李桂兰[6]以清华大学为兰州院作的黄河泥沙对水泵性能影响的试验成果，分析了含沙水流对运行中水泵的扬程、流量、效率、吸上真空度及轴功率等参数的影响；路金喜等[7]通过介绍模拟试验及典型泵站实际检测的大量数据，分析了泥沙对水泵流量、吸上真空度、轴功率等的性能参数影响规律，探讨了泥沙对水泵性能影响的机理；陆勇等[8]利用西北农学院试验资料，给出了水泵性能参数与含沙量的关系，但该公式所用数据少，公式的适用性一般。杨元月等[9]结合南水北调工程介绍了水泵效率的主要影响因素及提高措施。苏佳慧等[10]采用欧拉-拉格朗日多相流模型，对双吸式离心泵抽送含沙水流的工况进行数值模拟，研究壁面粗糙度对泵水力性能以及叶片磨损状况的影响；王志远[11]研究了泥沙浓度和泥沙粒径对双吸式离心泵性能特性、离心泵静压力及压力脉动的影响，并揭示了其影响机理。赵万勇等[12]使用FLUENT软件模拟出清水与含沙水条件下离心泵不同工况下运行时回流区产生的位置，进而讨论叶片被破坏的主要原因。张彩凤等[13]使用ANSYS软件对双吸离心泵进行了空泡出现位置以及空化现象的模拟，研究发现扬程下降与尾涡形态密切关系。赵伟国等人[14-16]采用了3种粒径进行空化的模拟，结果发现含沙量固定时，粒径增大，空化先强烈后减弱；在粒径不变时，含沙量增多，空化先强烈后减弱。共同考虑磨蚀与空蚀作用下，浑水下水泵扬程均低于清水扬程，且随着粒径增加与含沙量的增加，扬程逐渐减小。在进一步的研究中，作者使用沙粒体积分数作为变量，发现随着体积分数增加，沙粒在离心泵内的运动更加紊乱，效率和扬程随之降低。此外，含沙水流具有低频率、高振幅的特点，含沙量浓度对脉动频率、压力、湍动能分布、峰值振幅等都有影响。Serrano等[17]通过在巴西Acre河进行野外测试，估算了浑水引发的叶片磨损量以及何如通过控制转速减少磨损程度。Dong等[18]对喜马拉雅河中含沙水流(粉土为主)对离心泵的侵蚀问题进行了研究，发现粉土的大小影响侵蚀位置和侵蚀强度，而粉土浓度对研究范围内的侵蚀强度影响较大。此外，可以通过增加仿生凸触引导水流旋动，改变叶片表面水的速度，进而降低泥沙撞击叶片的影响。闫振峰等[19]对西霞院水库清淤中使用泥浆泵的排沙问题进行研究，研究表明随着流量的增加，所测的含沙量平均值随之增大，而含沙量的最大值呈现先增后减的变化态势。Shen等[20]通过模拟发现，较大颗粒的运动轨迹更加均匀，容易造成更严重的冲蚀磨损损坏。含沙水流的泥沙颗粒尺寸增大到一定程度后，磨损损伤发展缓慢，侵蚀速率随含沙量的增加而增大。

本文以黄河下游灌区泥沙为试验介质，以上海凯泉泵业(集团)有限公司生产的KQW为试验水泵，通过不同泥沙粒径、不同泥沙含量水泵的性能参数室内试验，分析泥沙对水泵性能的影响，为引黄灌区工程设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验在山东农业大学水利实验室进行。参照GB/T 18149—2017《离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范 精密级》及其他水泵试验，结合项目试验任务，本项目试验装置如图1所示。

图1中，水泵6通过吸水管2从进水池1吸水加压后提升至出水池12，再经回水管3回到进水池中，从而形成闭路循环，使流量相对稳定；水泵流量由闸阀8控制，并通过流量计9测量；水泵进出口压力由压力表5、7测量；为确保试验水中泥沙均匀，在进水池中安装有搅拌机4；水泵的输入功率使用电参数测试仪表测量。

1.2 试验水泵

根据调查，山东省引黄灌区内从渠道提水的水泵大多采用上海凯泉泵业(集团)有限公司生产的KQW或KQS型离心泵。结合实验室条件，本试验选用该公司生产的65KQW25-20-2.2/2离心泵。

1.3 试验泥沙

试验选择小开河灌区沉沙池首部及中部、孙集3个位置的泥沙为本试验泥沙，泥沙的中数粒径d50分别为0.096 3、0.041 3、0.057 1 mm，密度分别为2 650、2 600、2 500 kg/m3。

1.4 试验方法

1.4.1 试验方案

本试验主要测试不同泥沙粒径、泥沙含量对离心泵性能的影响，试验要素主要为泥沙粒径和泥沙含量。为此，拟定试验方案如表1所示。表1中含沙量0为清水比较方案。

表1 水泵性能试验方案

1.4.2 试验测量

试验主要测量流量、水泵进、出口压力、电机输入功率、水泵转速、水温及含沙量等。考虑到数据的不稳定性，电磁流量计流量以3次读数的平均值作为测量值；真空表、压力表均以7次数据的平均值作为测量数据；水泵电机为三相电机，电源经过稳压器后三相输入。本试验利用3块电参数表测量电动机的三相输入功率，三相功率之和为电机输入功率，三相输入功率取7次读数的平均值作为测量值；含沙量采用烘干法测试，取样位置在水泵回水管出水口，每个含沙量取3个水样平均值作为含沙量值。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果整理

2.1.1 实测扬程

离心泵实测扬程按下式计算

(1)

式中，Hc为离心泵实测扬程，m；P为水泵进口真空表压力(换算为水柱高度)，m；M为水泵出口压力(换算为水柱高度)，m；Z为真空表与压力表高差，m；V1、V2分别为水泵进、出口流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

2.1.2 水泵轴功率

电参数测试仪测量的为电机输入功率，水泵的轴功率(即电机的输出功率)可利用电参数测试仪测量的三相输入功率，根据水泵配套电机的输入输出功率关系(厂家提供本试验水泵电动机性能参数)进行换算。

2.1.3 水泵效率

水泵有效功率及效率按以下公式计算

(2)

(3)

式中，Pu为有效功率，kW；ρs为浑水密度，kg/m3；Qo为换算为额定转速后的流量，m3/s；Ho为换算为额定转速后的扬程，m；P0为换算为额定转速后的轴功率，kW；η为水泵效率，%。

2.1.4 试验数据换算

水泵性能曲线是在一定(额定)转速条件下，实际测定的水泵其他性能参数与流量之间的关系曲线。由于不同流量下水泵转速与额定转速不同，因此，需要对实测的流量、扬程及功率等利用比例律进行换算。

本试验得到了清水12组流量，3个沙样，每个沙样5个含沙量、每个含沙量10组流量的扬程、轴功率及效率等数据。进而得到了试验水泵的Q～H、Q～P、Q～η等性能曲线。

2.2 含沙量对扬程的影响分析

为了反映含沙量对扬程的影响，根据试验得到的离心泵扬程与含沙量关系，求得3个粒径沙样不同含沙量流量对应的扬程，用下式计算某种沙样不同含沙量、流量情况下与清水比较的扬程变化率

(4)

式中，αij为含沙量i与清水相比相同流量j的扬程变化率，%；Hij为含沙量i流量j对应的扬程，m；H0j为清水流量j对应的扬程，m。

由式(4)得到离心泵3个沙样不同含沙量情况下扬程变化率见图2、3。

由图2、3可知，本试验流量及含沙量范围内3个沙样的平均扬程减少率为-2.09%，范围为-0.51%～6.18%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均扬程减少率分别为-1.37%、-2.65%、-2.24%；清水额定流量(为28 m3/h)情况下平均扬程减少率分别为-1.31%、-2.67%、-2.31%，平均为-2.10%。

由图2、3看到，3个粒径不同含沙量扬程减少率(除d50=0.096 3 mm含沙量7.407 kg/m3外)及平均扬程减少率，随流量的变化规律为上凸的抛物线，随着流量的增加，减少率由大到小再增大，基本上是以流量20 m3/s为界，小于该流量时，减少率随流量的增加而减少，大于该流量时随流量的增加而增加。流量20 m3/s扬程减少率最低，该流量为清水水泵额定流量的71.4%。

2.3 泥沙对轴功率的影响分析

根据试验得到的离心泵轴功率与含沙量关系，求得3个沙样不同含沙量流量对应的轴功率，参照式(4)计算某种沙样不同含沙量、轴功率情况下与清水比较的轴功率变化率，结果见图4、5。

由图4、5得到，本试验流量范围内3个沙样的平均轴功率增加率为1.69%，范围为0.03%～3.52%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均轴功率增加率分别为1.29%、1.72%、2.03%；清水额定流量情况下平均轴功率增加率分别为0.74%、1.70%、1.61%，平均为1.35%。

由图4看到，3个粒径不同含沙量轴功率增加率(除d50=0.057 1 mm含沙量1.333 kg/m3外)及平均轴功率增加率，随着流量的增加而减少，即流量越少轴功率增加率越大。由图5看到，不同粒径的轴功率增加率在大多情况下，粒径大的沙样大于粒径小的沙样。

2.4 泥沙对效率的影响

根据试验得到的离心泵效率与含沙量关系，求得3个沙样不同含沙量流量对应的效率，参照式(4)计算某种沙样不同含沙量、效率情况下与清水比较的效率变化率，结果见图6、7。

由图6、7得到，本试验流量范围内3个沙样的平均效率减少率为-3.66%，范围为-0.3%～-7.18%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均效率减少率分别为-2.68%、-4.56%、-3.73%；清水额定流量情况下平均效率减少率分别为-3.14%、-5.37%、-4.61%，平均为-4.37%。

图4 不同含沙量轴功率增加率

图5 不同泥沙粒径轴功率平均增加率

图6 不同含沙量效率减少率

图7 不同泥沙粒径效率平均减少率

图8 不同含沙量流量减少率

图9 不同泥沙粒径流量平均减少率

由图6、7看到，3个粒径不同含沙量效率减少率随流量的变化而变化，粒径d50=0.043 1 mm的变化趋势为呈抛物线，在流量为25 m3/h达到最大值，而d50=0.057 1mm则与流量呈直线关系，d50=0.096 3 mm二者都有。由此看到，不同粒径、不同含沙量对效率的影响比较复杂。

2.5 泥沙对流量的影响

根据试验得到的离心泵效率与含沙量关系，求得3个沙样不同含沙量扬程对应的流量，参照式(4)计算某种沙样不同含沙量、扬程情况下与清水比较的流量变化率，结果见图8、9。

由图8、9得到，本试验流量范围内3个沙样的平均流量减少率为-7.12%，范围为-0.56%～-21.32%，其中d50=0.041 3、0.057 1、0.096 3 mm平均流量减少率分别为-5.78%、-8.02%、-7.57%；清水额定扬程(21.5 m)情况下平均流量减少率分别为-5.7%、-7.91%、-7.47%，平均为-7.03%。上述数值看到，含沙量对流量的影响较大。

由图8、9看到，3个粒径不同含沙量流量减少率随扬程的变化而变化，呈抛物线关系，在扬程为20 m达到最小值。

3 结 语

从上述分析可以看到，含沙水流中的泥沙会影响到离心泵的性能。与清水相比，泥沙使得水泵相同扬程下的流量减少；相同流量下水泵的扬程降低，轴功率增大，效率降低。在本试验条件下得到以下结论：

(1)平均扬程减少率为-2.09%，范围为-0.51%～6.18%，清水额定流量情况下扬程减少率平均为-2.10%，范围为-1.31%～-2.67%。

(2)平均轴功率增加率为1.69%，范围为0.03%～3.52%，清水额定流量情况下轴功率增加率平均为1.35%。范围为0.74%～1.70%。

(3)平均效率减少率为-3.66%，范围为-0.3%～-7.18%，清水额定流量情况下效率减少率平均为-4.37%，范围为-3.14%～-5.37%。

(4)平均流量减少率为-7.12%，范围为-0.56%～-21.32%，清水额定扬程情况下流量减少率平均为-7.03%，范围为-5.7%～-7.91%。

上述数值看到，含沙量对流量的影响最大，其次为效率，第三为扬程，最后为轴功率。上述成果可供引黄灌区设计中水泵选型参考。