談大中型水利工程立式軸流泵模型試驗
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摘要：立式軸流泵適用于低揚程、長時間運行的泵站，本文從立式軸流泵裝置的選型性能分析入手，以某泵站工程建設(shè)為例，圍繞立式軸流泵裝置的模型建立、試驗臺設(shè)置、試驗方法分析等層面，依據(jù)試驗測試結(jié)果獲取到裝置的能量性能、汽蝕性能與飛逸特性，為立式軸流泵在大中型水利工程中的具體應(yīng)用提供參考。
0引言
立式軸流泵主要包含固定葉片、可調(diào)葉片兩種類型，具有運行穩(wěn)定、易于安裝檢修等優(yōu)勢，符合泵站低揚程、大流量、高可靠性、長時間運行等性能需求。然而在低揚程運行工況下，立式軸流泵的水力效率無法得到有效保障，還需通過模型試驗進行泵裝置運行性能的檢驗，保障其在正常工況下的安全高效運行。
1立式軸流泵裝置選型性能分析
1.1不同泵的幾何相似性分析
性能參數(shù)的差異性決定了不同泵之間的幾何相似與運動相似，基于相似定律可推導(dǎo)出一系列泵的揚程、流量、轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)的相互關(guān)系，進而計算出比轉(zhuǎn)數(shù)泵的作業(yè)區(qū)域、運行工況將對比轉(zhuǎn)數(shù)產(chǎn)生影響，ns即代指泵在最高效率點運行狀態(tài)下的無因次量參數(shù)，通?？蓪⒈绒D(zhuǎn)數(shù)作為相似判據(jù)，幾何相似的泵在同等工況下的ns數(shù)值相等。但ns數(shù)值相同的泵，則不能推斷出其幾何形狀一定相似，例如針對ns=500的泵，其幾何形狀包含軸流式、斜流式等類型；針對ns=400的泵，則有可能是渦殼式或?qū)~式；而針對ns數(shù)值相同的泵，其葉輪可以分為5枚葉片或7枚葉片等，因此也存在部分幾何不相似泵的ns數(shù)值相等這一情況。但針對同屬于立式軸流泵的一類泵，在其ns數(shù)值相同的條件下，需基于流動規(guī)律進行泵體幾何形狀的設(shè)計，保障其幾何相似性，以此在相似工況下優(yōu)化泵的使用性能。
1.2立式軸流泵選型性能分析
立式軸流泵被廣泛應(yīng)用于我國大中型水利工程中，其工作原理是依靠傾斜的翼形葉片轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的推力實現(xiàn)揚水。該泵的應(yīng)用優(yōu)勢主要包含以下三點：①葉輪淹沒在水面以下，不會造成汽蝕問題；②上水速度快，無需灌引水即可啟動，可實現(xiàn)自動運行；③體積較小，無需耗費過大占地面積。在基于立式軸流泵的性能進行選型分析時，通常需以葉輪直徑D、水泵轉(zhuǎn)速n和nD數(shù)值作為參考依據(jù)，其中nD數(shù)值主要用于調(diào)節(jié)葉輪進口外緣部位的流速，避免發(fā)生汽蝕問題。為防止葉輪進口處出現(xiàn)汽蝕、吸入旋渦等問題，還需注重進行淹沒深度的控制，同時防范因nD數(shù)值過大引發(fā)葉輪外緣處的間隙汽蝕問題。
2大中型水利工程中立式軸流泵裝置性能的應(yīng)用實踐探討
2.1工程概況
以某大型低揚程泵站建設(shè)項目為例，該泵站采用立式軸流泵裝置，其進出水流道分別為肘形與圓直管狀。泵站內(nèi)設(shè)有5臺1300ZLB型立式軸流泵機組與YL710-16型高壓電機，葉輪直徑為1150mm、轉(zhuǎn)速370r/min，單機功率為500kW、設(shè)計流量為5m3/s；設(shè)計凈揚程為5.2m，凈揚程最高、最低值分別為7.4m和2.8m，平均值為5.2m。
2.2立式軸流泵裝置模型試驗
2.2.1模型建立
基于1：3.833比尺建立ZM55泵裝置水力模型，將葉輪直徑設(shè)為299.65mm，輪轂比為0.4，包含4枚葉片，采用黃銅作為制作材料，經(jīng)由數(shù)控加工后制作成型；運用焊接工藝將鋼板制成進出水流道，在葉輪室設(shè)有觀察窗，用于查看葉片位置的汽蝕、水流等情況；在模型安裝環(huán)節(jié)，確保導(dǎo)葉體與葉輪室定位面軸向跳動為0.1mm、葉輪輪轂外表面徑向跳動0.08mm，葉頂間隙不超過0.2mm。
2.2.2試驗臺設(shè)置
采用高精度水力機械試驗臺開展模型試驗，如圖1所示，試驗臺全長60m，管道直徑設(shè)為0.5m，系統(tǒng)水體積為50m3，其綜合誤差為±0.39%，符合國家標(biāo)準與行業(yè)標(biāo)準所規(guī)定的精度要求，可利用該試驗臺開展泵裝置模型的性能、汽蝕與飛逸試驗，并檢驗出泵裝置的過渡特性與內(nèi)特性，還可實現(xiàn)對電磁流量計的原位校驗工作。
2.2.3試驗方法
在正式開展模型泵裝置試驗時，選取直流整流器進行電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，將額定轉(zhuǎn)速設(shè)為1418.3r/min，實際轉(zhuǎn)速為1200r/min，待試驗結(jié)束后運用標(biāo)準轉(zhuǎn)速1450r/min進行試驗結(jié)果的換算。在測量軸功率方面，通常軸承與軸封間的摩擦損失是引發(fā)機械損失轉(zhuǎn)矩的主要原因，對此可借助空載運轉(zhuǎn)機組的方式獲取具體數(shù)值；待完成葉片角度調(diào)節(jié)后，先完成空載轉(zhuǎn)矩的測量，隨后充水進行模型性能試驗；選取ZJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在驅(qū)動電機與泵軸之間，進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、輸入轉(zhuǎn)矩的測量。此外，泵裝置模型在運行工況下的環(huán)境溫度變化也將對測試結(jié)果造成影響，在考慮到該試驗臺回路系統(tǒng)容積較大，在單次測試過程中溫度變化不明顯的情況下，應(yīng)選取開機運行約20min后的節(jié)點進行水溫的測量，并確保在試驗過程中水溫的穩(wěn)定性[2]。
2.3立式軸流泵裝置模型的測試結(jié)果
2.3.1能量性能
在本次模型試驗中，分別選取-4°、-2°、0°、+2°、+4°五個角度進行葉片安放角度的調(diào)節(jié)，并記錄不同角度下的能量性能變化情況。通過觀察測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速相同、運行工況不變的情況下，揚程將隨葉片安放角度的增加而增大。在葉片安放角度為+2°時，模型裝置處于最優(yōu)效率點，其效率達到80.2%，在此情況下模型泵裝置的流量為383.29L•s-1、揚程為5.303m、軸功率為24.804kW。選取原型泵裝置的流量、揚程參數(shù)繪制綜合特性曲線，從中可以觀察到在流量較小的情況下，泵裝置整體運行效率較低；在相同轉(zhuǎn)速、相同葉片安放角度下，隨著流量的減小，其揚程將明顯增大。
2.3.2汽蝕性能
基于定流量的能量法獲取到模型裝置的汽蝕性能試驗結(jié)果，以葉輪中心為基準，選取模型效率較其性能點低1%的有效汽蝕余量作為臨界汽蝕余量，完成臨界汽蝕余量曲線的繪制。通過觀察試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，裝置的汽蝕性能在臨近其設(shè)計揚程位置達到最優(yōu)情況，臨界汽蝕余量小于6m，可有效保障裝置的安全運行。
2.3.3飛逸特性
采用輔助泵控制系統(tǒng)反向運轉(zhuǎn)，在扭矩儀不受力的情況下測試模型泵在各揚程下的轉(zhuǎn)速變化情況，獲取到5種葉片安放角度下的單位飛逸轉(zhuǎn)速，進而繪制出原型泵的飛逸特性曲線。通過觀察試驗數(shù)據(jù)與曲線可以發(fā)現(xiàn)，在葉片安放角度相同的條件下，伴隨揚程的增大，其飛逸轉(zhuǎn)速也會明顯增大；伴隨葉片安放角的增大，其單位飛逸轉(zhuǎn)速將減??；當(dāng)葉片安放角為+4°、凈揚程最大值為7.4m時，飛逸轉(zhuǎn)速最小值為636.3r/min，超出額定轉(zhuǎn)速1.72倍；當(dāng)葉片安放角為-4°、凈揚程最大值為7.4m時，飛逸轉(zhuǎn)速最大值為704.9r/min，超出額定轉(zhuǎn)速1.91倍[3]。
2.3.4試驗結(jié)論
總體來看，能量試驗結(jié)果表明，將原型泵裝置的揚程設(shè)為8.324m，可以符合泵站最大揚程7.4m的運行要求；汽蝕試驗結(jié)果表明，將凈揚程控制在2.8~7.4m范圍內(nèi)時，可保障裝置的汽蝕性能達到最優(yōu)；飛逸試驗結(jié)果表明，在葉片安放角度為-4°時，其最大飛逸轉(zhuǎn)速超出額定轉(zhuǎn)速1.91倍，因此需針對電機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，確保有效降低飛逸轉(zhuǎn)速。宜將葉片安放角設(shè)為+1°，保障在設(shè)計揚程為5.2m的條件下，流量數(shù)值達到5.21m3/s，整體泵裝置的效率提高到79%，且臨界汽蝕余量能夠有效滿足軸流泵裝置的安全運行需求。
3結(jié)論
本文采用降低轉(zhuǎn)速、優(yōu)化進出水流道等方式實現(xiàn)對立式軸流泵模型的優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)由試驗測試證明改進后的模型在能量性能、汽蝕性能與飛逸特性上均呈現(xiàn)出一定的優(yōu)化，促使泵裝置整體運行效率得到顯著提升。將其運用于低揚程泵站中，可有效減少水力損失，滿足水泵的安全、高效運行需求。
參考文獻
[1]許健.立式軸流泵進水偏轉(zhuǎn)的數(shù)值模擬與V3V測試[D].揚州：揚州大學(xué)，2016.
[2]王麗慧，施偉，沈昌榮，等.立式軸流泵裝置模型水力性能數(shù)值分析及預(yù)測[J].排灌機械工程學(xué)報，2016，34（9）：776-782.
[3]楊帆，趙浩儒，劉超，等.立式軸流泵裝置進水流道出口流態(tài)與脈動試驗分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2017（12）：141-146.
作者:孫爐飛 單位:諸暨市電力排灌站
