魏村枢纽扩容改建工程双向立式泵装置模型试验及流场分析

王强，袁尧，吕玉婷，陈玉龙，李彦军，杨帆

（1.常州市水利规划设计院，江苏常州 213002；2.江苏省水利科学研究院，江苏南京 210000；3.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225009；4.常州市水利建设投资开发有限公司，江苏常州 213000；5.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏镇江 210031）

0 引言

箱涵式双向立式泵装置是实现双向抽水功能的重要泵站装置结构型式之一，其具有在满足城市灌排水功能需求的同时又能大幅降低工程投资的优点［1］。近年来，箱涵式双向立式泵装置在我国沿江滨湖地区得到了广泛地使用，学者们已对该泵装置的水力性能及结构开展不少的研究工作并取得了系列研究成果［2-6］，如：周伟等［2］以澡港泵站的开敞式双向流道泵装置为研究对象，采用数值计算方法分析了泵装置内流场并异化了出水锥管。黄良勇等［3］对双向进水流道的喇叭口悬空高和双向出水流道的扩散喇叭管出口高度进行了多方案优选，经模型试验在低扬程3.26 m 时泵装置效率达71.2%。杨帆等［4，5］分别采用数值模拟技术分析了双向立式轴流泵装置的流道内流特性、扩散导叶体对泵装置性能的影响并通过物理模型试验分析了双向立式轴流泵装置的脉动特性。王麦琪等［6］以引江济淮枞阳站泵装置模型为研究对象，采用CFX 软件分析了泵装置的飞逸特性，获得了不同扬程时泵装置的流量和飞逸转速。通过对已有现有文献资料的分析，学者们对泵装置性能的研究主要采用数值模拟和模型试验两种方法［7-12］，其中数值模拟的方法被采用的较多，数值模拟方法的有效性仍需通过物理模型试验给予验证［13，14］。为确保魏村枢纽扩容改建工程泵站的高效安全稳定运行，依据《泵站设计规范（GB50265-2010）》的规定并结合当前泵装置的研究方法，针对该泵站双向抽水的功能需求，采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法分析了双向立式轴流泵装置的水力性能。

1 工程概况

魏村水利枢纽是国家治太骨干工程湖西引排的主要工程之一，在区域乃至流域防洪、排涝、灌溉、航运及水环境保护等方面发挥了重要作用，工程引水灌溉14 万亩，排涝面积133 km2。枢纽扩容改建工程由船闸、节制闸和泵站组成，泵站和节制闸采用闸站结合布置形式。泵站为大（2）型泵站，设计排水流量为160 m3/s，设计引水流量为60 m3/s，采用5 台套立式轴流泵机组，配2 600 kW 立式同步电机，总装机容量13 000 kW，叶轮直径为3 100 mm，转速为125 r/min，叶片角度采用液压全调节方式，采3 台机组为双向立式轴流泵机组，2 台机组为单向立式轴流泵机组。泵站运行水位如表1 所示，其中泵站扬程已考虑了拦污栅及门槽水力损失0.2 m、流道出口水位雍高及过栅水力损失0.1 m。魏村枢纽扩容改建工程的双向立式轴流泵装置的泵房剖面示意图如图1所示。

图1 泵房剖面图Fig.1 Pump room profile

表1 泵站运行水位组合表Tab.1 Water Level Combination Table of Pumping Station

2 泵装置模型试验

2.1 泵装置物理模型及试验内容

魏村枢纽扩容改建工程泵站双向立式轴流泵装置的原模型结构几何尺寸比尺为10.5，模型泵装置叶轮选用TJ04-ZL-06，叶轮的叶片数为3，模型泵叶轮名义直径为300 mm，叶顶平均间隙为0.15 mm，试验转速为1 312.5 r/min，导叶体的叶片数为6。箱涵式双向进水流道长为13.022D（D为叶轮的名义直径），流道进口净高为1.365D，流道进口净宽为2.857D；箱涵式双向出水流道长为13.022D，流道出口净高为1.397D，流道出口净宽为2.857D。箱涵式双向进出水流道采用Q235 钢板焊接制作，内壁加涂层以满足粗糙度相似。

双向立式轴流泵装置物理模型试验在江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心的水力机械四象限多功能试验台上进行，试验台示意图如图2所示，该试验台泵装置效率综合允许不确定度优于±0.30%，试验台最大试验扬程为100 m，最大试验流量为1 000 L/s，试验转速最大为1 500 r/min。流量数据通过德国科隆智能电磁流量计测取，扬程数据通过日本横河EJA 智能差压变送器测取，真空度通过日本横河EJA 智能绝压变送器测取，转速和转矩的数据通过NJL2/500N·m 智能型转矩转速传感器测取。

图2 水力机械四象限多功能试验台Fig.2 Hydraulic machinery four quadrant multifunctional test rig

魏村枢纽扩容改建工况的泵站装置物理模型试验内容主要有泵装置的能量性能、空化性能及飞逸性能试验，试验的叶片安放角有-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°和+4°。泵装置模型试验按照欧拉准则进行，设计工况时泵装置物理模型雷诺数大于106，试验条件满足参考文献［15］的要求。泵装置能量性能试验、空化性能试验和压力脉动特性试验均按照参考文献［15］中的试验要求进行。

2.2 模型试验结果

2.2.1 能量性能试验结果

经测试，在7 个叶片安放角范围内双向立式轴流泵装置最高效率为74.26%，此时泵装置流量为243.05 L/s，泵装置扬程为3.981 m，叶片安放角为-6°；在叶片安放角-8°、-4°、-2°和0°时，泵装置最高效率均超过73%，分别为73.82%、73.89%、73.65%和73.14%；在叶片安放角+2°和+4°时，泵装置最高效率分别为72.47%和71.83%。不同叶片安放角下泵装置设计扬程和泵装置最大扬程时泵装置模型性能参数如表2 所示，采用等效率换算至原型泵装置，在泵站排涝设计扬程4.71 m 时，叶片安放角+2°原型泵装置单机流量为32.79 m3/s，满足单机设计流量32 m3/s 的要求，此时泵装置效率为72.15%；在泵装置排涝最大扬程5.25 m 时，原型泵装置单机流量为30.39 m3/s，此时泵装置效率为69.84%。泵装置物理模型综合特性曲线如图3所示。

表2 不同泵装置特征扬程时泵装置模型性能参数Tab.2 Performance parameters of pump device model with different characteristic head

图3 双向立式泵装置模型综合特性曲线Fig.3 Comprehensive characteristic curve of bidirectional vertical pump device model

2.2.2 空化性能试验结果

不同叶片安放角时泵装置必需汽蚀余量如图4 所示，相同叶片安放角时，在流量150～450 L/s 范围内必需汽蚀余量NPSHc随流量的增加呈先减小后增大的趋势。在相同流量时，必需汽蚀余量随叶片安放角的增加而增加。在泵装置排涝最大扬程5.25 m，叶片安放角+2°时，水泵的淹没深度满足泵最大必需汽蚀余量9.35 m的要求。

图4 泵装置必需汽蚀余量曲线Fig.4 The required cavitation amount curve of pump device

2.2.3 飞逸性能试验结果

不同叶片安放角时泵装置的单位飞逸转速变化曲线如图5所示，采用文献［12］原模型飞逸转速换算方法，在叶片安放角-8°、泵装置排涝最大扬程5.25 m 时，原型泵的飞逸转速213.11 r/min 是其额定转速的1.705 倍；在泵装置引水最大扬程4.41 m时，原型泵的飞逸转速195.32 r/min是其额定转速的1.563倍，水泵和电动机制造厂家需按照1.8 倍额定转速校核水泵和电动机的强度。随着叶片安放角α的增大，单位飞逸转速逐渐减小。

图5 泵装置单位飞逸转速曲线Fig.5 The unit runaway speed of pump device

2.2.4 流道内流场分析

为进一步明确双向立式轴流泵装置的流道内流规律，采用数值模拟技术对魏村枢纽扩容改建工程泵站的原型装置进行全流道流场计算，叶轮名义直径为3 150 mm，转速为125 r/min，叶片安放角为0°。双向立式轴流泵装置的计算域包括前池、箱涵式双向进水流道、叶轮、导叶体和箱涵式双向出水流道和出水池共6 个部分，泵装置内流场的数值计算方法参考文献［12-14］，这里不再赘述。在引水工况时箱涵式双向进水流道内水流流动的雷诺数为1.419×107，箱涵式双向出水流道内水流流动的雷诺数为1.287×107，在排涝工况时进出水流道的雷诺数均大于引水工况，流道内水流处于阻力平方区。泵装置的数值计算以泵装置排涝设计扬程工况进行计算，泵装置排涝设计扬程为4.71 m，单机组设计流量为32 m3/s。为验证网格数量对泵装置数值计算结果的影响，对双向立式泵装置各过流结构进行非结构化网格剖分，共采用了7 组网格数量分别为1 023 687，1 357 451，1 795 147，2 547 893，2 736 478和3 498 132对泵装置进行网格数量无关性分析，对比分析不同网格数量时泵装置的效率，在泵装置网格数量达到254 793、2 736 478及3 498 132时，泵装置效率的差值因网格数量的变化均小于0.2%，本次数值计算网格数量选取2 736 478，泵装置数值计算网格如图6所示。

图6 泵装置网格图Fig.6 Grid diagram of pump device

在泵装置排涝设计扬程4.71 m 时，双向立式轴流泵装置的流场如图7 所示，流道内水流的流动可分为2 个阶段，一是在流道内从四面向喇叭管进口的汇集流动阶段，二是水流进入喇叭管后的流场调整阶段；在汇集流动阶段，一部分水流从喇叭管前直接进入喇叭管，一部分水流绕至两侧进入喇叭管，还有一部分水流则绕至蜗壳后部进入喇叭管；由于箱涵式双向进水流道的后壁空间很大，在后壁处存在大范围的滞水区，流道的流态总体上符合收缩均匀、转向有序的基本要求。在泵装置排涝设计扬程时，箱涵式双向进水流道出口面的轴向速度分布均匀度为95.01%，速度加权平均角为87.16°，流道的水力损失为0.227 m。箱涵式双向出水流道的水力损失为0.576 m，是进水流道水力损失近2.54 倍，占泵装置排涝设计扬程的12.23%，出水流道的水力损失对泵装置水力效率的影响较大。水力损失是流道内部流动的外在体现，为进一步分析箱涵式双向出水流道的内流特征，截取出水流道的6个特征断面，各特征断面的流场如图8 所示，其中断面1-1、断面2-2 和断面3-3 为横断面，以出水流道底部为基准面，各断面距基准面的距离分别为：断面1-1 为0.182D、断面2-2 为0.627D、断面3-3 为1.077D；断面4-4、断面5-5 和断面6-6 为纵断面，以出水流道水平中心线为基准，各断面距基准面的距离分别为：断面4-4 为1.01D、断面5-5为0.0D，断面6-6为-1.01D。在排涝设计工况时，箱涵式双向出水流道的内流场受导叶体出口剩余环量的影响较大，水流呈螺旋状进入出水流道，在喇叭管和后导水锥构成的通道内边旋转边向四周扩散，流出喇叭管与导水锥构成的通道的水流向四周辐射状急剧转向并扩散，一部分水流向后壁流动，由于后壁空间较大，在后壁存在大范围的滞水区；一部分水流向左右两侧壁流动，受侧壁的阻挡影响，水流在立面上形成旋涡，后壁和两侧壁的水流在落到流道下半部以后转向流道出口流动，还有一部分水流直接向流道出口流动，水流经直线段调整后流向出水池。流道的内部流态满足稳定、高效运行的要求。在排涝设计工况时，进出水流道的全部水力损失占泵装置扬程的17.05%。

图7 双向立式泵装置流场图（排涝设计工况）Fig.7 Flow field diagram of pump device（Drainage design condition）

图8 箱涵式双向出水流道的流场图（排涝设计工况）Fig.8 Flow field diagram of bidirectional outlet conduit（Drainage design condition）

4 结论

（1）魏村枢纽扩容改建工程双向立式轴流泵装置的箱涵式双向进水流道内部流态较好未见附底涡等不良流动现象，箱涵式双向出水流道的盲端存在较大范围的旋涡区，排涝设计工况时进出水流道的总水力损失占泵装置扬程的17.05%。箱涵式双向进水流道和箱涵式双向出水流道的主要控制尺寸能满足泵站工程设计要求且水力性能较好。

（2）在叶片安放角-8°～+4°试验范围内，双向立式轴流泵装置最高效率为74.26%。在泵装置排涝设计扬程4.71 m 时，叶片安放角+2°原型泵装置单机流量为32.79 m3/s，满足单机设计流量要求，泵装置效率为72.15%；在泵装置排涝最大扬程5.25 m 时，原型泵装置单机流量为30.39 m3/s，此时泵装置效率为69.84%。

（3）在相同流量时，随着叶片安放角的增加必需汽蚀余量也增加。在泵装置排涝最大扬程5.25 m，叶片安放角+2°时，水泵的淹没深度满足最大必需汽蚀余量9.35 m 的要求。在叶片安放角-8°下，泵装置排涝最大扬程5.25 m 时，原型泵的飞逸转速是其额定转速的1.705倍，为213.11 r/min。