劉超1，袁家博2，湯方平1，周濟(jì)人1，成立1
(1.揚(yáng)州大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009；2.揚(yáng)州大學(xué)工學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009)

　　摘　要：針對(duì)變幅較大的泵站揚(yáng)程，設(shè)計(jì)了雙速雙高效點(diǎn)的軸流泵水力模型，通過模型泵裝置試驗(yàn)獲得了優(yōu)良的能量特性和氣蝕特性，保證水泵在高、低兩種設(shè)計(jì)揚(yáng)程下均能高效運(yùn)行。投產(chǎn)后的現(xiàn)場測試表明，真機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低，最高效率達(dá)到79%。
　　關(guān)鍵詞：泵站；雙速電機(jī)；軸流泵；模型試驗(yàn)
　　中圖分類號(hào)：TU991.35
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)12-0050-04

　　廣東省東深供水工程是向深圳、香港供水的國家重點(diǎn)工程。東江太園抽水站是東深供水工程的源頭抽水站，裝機(jī)6臺(tái)2.4 ZLQ20—9.5型全調(diào)節(jié)軸流泵，采用YL 32/38—3000雙繞組雙速(213/186)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，單機(jī)功率為2600/1800kW，以適應(yīng)東江水位變幅較大所引起的揚(yáng)程變化。當(dāng)東江水位較高(揚(yáng)程H＜68.6 kPa)時(shí)，泵轉(zhuǎn)速為186 r/min；水位較低(H≥68.6 kPa)時(shí)，泵轉(zhuǎn)速為213 r/min，以保持流量Q在20.5m³/s左右，水泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)數(shù)為8000 h/a左右。為提高機(jī)組裝置效率、降低振動(dòng)和噪聲，進(jìn)行了精心的水力計(jì)算和模型試驗(yàn)研究，得到優(yōu)秀的模型裝置性能和水力模型性能，完全滿足設(shè)計(jì)要求。真機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)用數(shù)控技術(shù)加工，安裝投產(chǎn)后運(yùn)行良好，經(jīng)嚴(yán)格、全面的現(xiàn)場測試，表明水泵揚(yáng)程、流量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最高裝置效率(含電機(jī))達(dá)79%～80%，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪音低、安全可靠。

1　模型裝置

　　太園抽水站水泵模型裝置試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)水泵通用試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。該試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示為一立式封閉循環(huán)系統(tǒng)。
1.1　轉(zhuǎn)輪
　　模型轉(zhuǎn)輪為揚(yáng)州大學(xué)研制的ZM7.8—360型轉(zhuǎn)輪，比轉(zhuǎn)速ns=700，氣蝕比轉(zhuǎn)速C=1112，其水力模型(轉(zhuǎn)輪+導(dǎo)葉)的試驗(yàn)量測性能見圖1。
1.2進(jìn)、出水流道

　

　　進(jìn)水流道為肘形漸縮流道(從彎道起斷面由矩形向圓形過渡)；出水流道為斷面漸擴(kuò)的虹吸流
道；在駝峰頂部之前斷面由圓形過渡到矩形。
1.3雙速驅(qū)動(dòng)(雙工況設(shè)計(jì))
　　太園抽水站的實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程變幅較大，為保證較高的運(yùn)行效率，采用兩種轉(zhuǎn)速即雙速設(shè)計(jì)，分別為：213 r/min和186 r/min，它們的最高效率點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于78.4 kPa和58.8 kPa的裝置揚(yáng)程，最高裝置揚(yáng)程可達(dá)107.8 kPa。模型轉(zhuǎn)速為1 364 r/min。

2　試驗(yàn)設(shè)備

　　主要設(shè)備有：進(jìn)水箱，壓力水箱，汽水分離筒，文丘里流量計(jì)，輔助加壓裝置，調(diào)節(jié)閘閥，抽真空裝置、管路，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，控制臺(tái)等。
　　該試驗(yàn)裝置效率綜合誤差為±0.57%，精度高于國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 3216—89)的指標(biāo)。流量測量：采用雙向文丘里流量計(jì)，流量計(jì)壓差由日本引進(jìn)的UNE—11型差壓變送器測量。差壓變送器輸出的電壓信號(hào)由電壓表采樣，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)接口接入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。流量計(jì)性能穩(wěn)定、重復(fù)性好。
　　揚(yáng)程測量：揚(yáng)程由指定泵裝置進(jìn)出口斷面的壓差決定，進(jìn)口斷面選取在進(jìn)水箱的出口附近，出口斷面選取在壓力水箱入口附近，兩斷面的壓差由另一差壓變送器測量，經(jīng)電壓表采樣，通過標(biāo)準(zhǔn)接口接入微機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。
　　軸功率測量：軸功率指作用在水泵軸上的功率，采用ZJ—500型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量，同時(shí)傳送轉(zhuǎn)矩信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)TS—800B型二次儀表處理后接入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。軸功率N與轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩M的關(guān)系為：N=M·n。
　　真空度測量：真空度用精度等級(jí)為0.2級(jí)的精密真空表測定。

3　試驗(yàn)

3.1模型裝置相似問題
　　通常采用的相似準(zhǔn)則是針對(duì)水泵的轉(zhuǎn)輪而言的，在國際上稱為“Pump Bowl”，水泵的相似律也是如此。泵轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)是處于慣性系之中，慣性力占主導(dǎo)地位，原型與模型相似的條件是各自的慣性力成比例，即無因次相似準(zhǔn)則數(shù)Sh數(shù)相等，通常用其變形nD=常數(shù)來表述，又謂之“等揚(yáng)程準(zhǔn)則”。
　　對(duì)于泵裝置來說，泵轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)和轉(zhuǎn)輪外管路中的流動(dòng)是性質(zhì)不同的兩種流動(dòng)，即管道內(nèi)為有壓流動(dòng)，要使得泵模型中這兩種流動(dòng)均為相似是很困難的。在江都抽水站水泵模型裝置試驗(yàn)研究中，通過對(duì)泵段和管路的特性分別進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管路特性在大部分的流量范圍，管路損失揚(yáng)程與流量的二次方成比例，僅在小流量區(qū)有較明顯偏差。
　　另外，從單純的管路損失來分析，管路損失hl∝V2/2g，即hl∝V2，則hl∝Ω2。因此，從揚(yáng)程-流量特性看，泵段與泵裝置二者的特性是協(xié)調(diào)一致的，具備迭加條件。試驗(yàn)研究的是整個(gè)裝置特性這一最終結(jié)果，而非具體的流動(dòng)形態(tài)，故其試驗(yàn)結(jié)果能夠反映出原型裝置的特性，這也為以往大量的泵裝置模型試驗(yàn)的結(jié)果所證實(shí)。
3.2試驗(yàn)轉(zhuǎn)速
　　理論上受試泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)滿足nD=常數(shù)的準(zhǔn)則，照此計(jì)算，對(duì)應(yīng)原型兩種轉(zhuǎn)速，模型額定轉(zhuǎn)速的高速應(yīng)為n=1 562 r/min，低速應(yīng)為n=1 364 r/min。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3216—89的規(guī)定，水泵試驗(yàn)轉(zhuǎn)速允許相差±20%，實(shí)際試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min左右，符合規(guī)范要求。在轉(zhuǎn)速降低后測得的揚(yáng)程、效率與流量均具有良好的相似性，按相似律換算至額定轉(zhuǎn)速有足夠的準(zhǔn)確度。而在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下測得的必需氣蝕余量(NPSH)按照NPSHr1/NPSHr2=(n1/n2)2的關(guān)系換算則是偏于安全的，即換算所得NPSHr比實(shí)際值要大。
3.3　壓力量測斷面
　　水泵裝置模型如圖2所示。

　　裝置進(jìn)口量測斷面取在進(jìn)水箱1-1斷面，裝置出口量測斷面設(shè)在壓力水箱2-2斷面。這兩個(gè)斷面的水流相對(duì)較穩(wěn)定，它們之間的總水頭差就是模型裝置揚(yáng)程，差壓變送器兩個(gè)測管接頭位于同一高程時(shí)，裝置揚(yáng)程按下式計(jì)算：

　　　　Hsy=(P₂／ρg-P₁／ρg+z₂-z₁)+(v₂²／2g-v₁²／2g)　　　(1)

　　式中　P1、P2 ——分別為進(jìn)、出口斷面壓力
　　　　　z1、z2——分別為進(jìn)、出口斷面位置水頭
　　　　　v1、v2——分別為進(jìn)、出口斷面流速
　　　　　　　ρ——水體密度
　　v1、v2之和的數(shù)值很小，故v₁²/2g和v₂²/2g更小，其差值可忽略不計(jì)。
3.4氣蝕試驗(yàn)
　　氣蝕試驗(yàn)時(shí)，在保持流量不變情況下，在進(jìn)水箱內(nèi)抽氣降壓形成低于大氣壓的真空，逐步降低泵吸入口的壓力，直至氣蝕發(fā)生和發(fā)展，按下式計(jì)算有效氣蝕余量NPSHa：

　　NPSHa=Pa／ρg-｜hv｜+h_淹-Pv／ρg　　　　　　　　　　　(2)

　　式中　Pa——大氣壓力水頭，kPa
　　　　　Pv——試驗(yàn)水溫下水的飽和蒸汽壓力水頭，kPa
　　　　　hv——進(jìn)水箱水面上的真空度，kPa
　　　　　h淹——水泵葉輪中心線進(jìn)水位下淹沒深度，m
　　根據(jù)驗(yàn)收規(guī)范要求，在效率下降1.0%時(shí)式(2)所得的數(shù)值就是必需氣蝕余量(NPSHr)。

4　模型試驗(yàn)結(jié)果

　　模型試驗(yàn)分別測試5個(gè)水泵葉片角的能量性能和氣蝕性能。表1為模型裝置高效點(diǎn)的性能參數(shù)，模型裝置的通用及氣蝕性能曲線見圖3。

表1　模型裝置高效點(diǎn)性能參數(shù) 轉(zhuǎn)速(r/min) 葉片角(°) 流量Q(m³/s) 揚(yáng)程H(kPa) 功率N(kW) 效率η(%) 必需氣蝕余量NPSHr(m) 備注 1562 +4 0.438 83.33 48.73 74.68 10.5 換算值 +2 0.408 83.64 45.38 75.24 9.3 0 0.389 77.75 40.04 75.24 7.5 -2 0.365 76.20 36.63 75.72 6.8 -4 0.343 73.67 33.56 74.99 6.4 　 +4 0.383 63.54 32.47 74.68 8.0 實(shí)測值 　 +2 0.357 63.79 30.22 75.24 7.1 　 0 0.340 59.29 26.66 75.42 5.7 　 -2 0.319 58.10 24.39 75.72 5.2 　 -4 0.300 53.16 22.34 74.99 4.9

　　因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速與高轉(zhuǎn)速相差很小，可以認(rèn)為相似點(diǎn)裝置效率不變，故采用按比例律換算高轉(zhuǎn)速的性能。

　　理論證明如下：
　　若H₁、H₂分別為兩種不同轉(zhuǎn)速的泵裝置需要揚(yáng)程(即泵揚(yáng)程)，H₀₁和H₀₂分別為裝置揚(yáng)程，h_l1和h_l2為裝置的管路損失，則 H1=H₀₁+h_l1，因h_l1=SQ₂¹(S為管路損失系數(shù))，故：

　　　　H₁=H₀₁+SQ₂¹　　　　　　　　　　　(3)
　　同理：H₂=H0₂+h_l2=H₀₂+SQ₂²　　　　　　(4)
　　根據(jù)水泵的相似律有(以λ為比尺)：
　　　　　H₁／H₂=(n₁／n₂)²=λ_n²；Q₁／Q₂=λn　　 (5)
　　　　　H₁=H₂·λn²
　　　　　Q₁=Q₂·λn
　　由式(3)和式(5)得：

　　　　H₀₁=H₁-SQ₁²=H₂·λ_n²-S(Q₂λ_n)²=(H₂-SQ²)λn²　　(6)
　　由式(4)得：
　　H₀₂₌H₂-SQ₂2　　　　　　　　(7)
　　將式(7)代入式(6)得：
　　　　H₀₁=H₀₂λ_n²　　　　　　(8)
　　即：H₀₁／H₀₂=(n₁／n₂)²
　　式(8)表明裝置揚(yáng)程也遵從比例律的關(guān)系，條件是管路損失需遵從hl=SQ²的關(guān)系，且S與流量變化無關(guān)。事實(shí)上由于低揚(yáng)程泵裝置的管路損失主要為局部損失，這些局部損失隨流量變化的加大局部流動(dòng)形態(tài)不可避免地會(huì)產(chǎn)生差異，相應(yīng)的損失系數(shù)也將產(chǎn)生差異，S值不可能為常量，只是在這種差異較小時(shí)S的變化值很小。
　　由此可知，對(duì)泵裝置來說其揚(yáng)程流量性能換算仍然遵從水泵相似律。顯然，因?yàn)楸幂S功率Pa=ρgQH，故軸功率比尺λpa=λH·λQ=λ2nλn=λ3n也符合水泵比例律的關(guān)系。
　　事實(shí)上不僅如此，假如泵裝置進(jìn)、出水管路(甚至開敞進(jìn)、出水池)內(nèi)流動(dòng)處于阻力平方區(qū)，即水力損失與流速的平方成正比，那么同樣可以證明泵裝置的揚(yáng)程流量關(guān)系仍然遵從水泵相似律。

5　現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

　　該機(jī)組在太園抽水站建成后于1998年9月投入商業(yè)運(yùn)行。為了測定該站各水泵機(jī)組在運(yùn)行狀況下的真實(shí)性能，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和安裝水平及機(jī)組性能保證，同時(shí)為抽水站的運(yùn)行管理自動(dòng)化，優(yōu)化調(diào)度及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行創(chuàng)造良好條件，對(duì)該站機(jī)組效率、起動(dòng)過程等進(jìn)行了測試。測試從1999年6月—8月歷時(shí)1個(gè)多月，取得了大量數(shù)據(jù)。
　　單泵流量測試方法為鹽水濃度法。現(xiàn)場測試嚴(yán)格按照《泵站現(xiàn)場測試規(guī)程》(SD 140—85)及相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。取得了我國大型泵站最為完整的現(xiàn)場實(shí)測資料。表2為部分測試結(jié)果。

表2　　6#機(jī)組現(xiàn)場測試結(jié)果 工況號(hào) 轉(zhuǎn)速(r/min) 葉片角(°) 裝置揚(yáng)程H(kPa) 流量Q(m3/s) 電機(jī)輸入功率N(kW) 裝置效率(含電機(jī))η(%) 6-1 185.7 0 64.12 19.00 1539.4 79.21 6-2 185.7 0 65.86 18.92 1572.7 79.30 6-3 185.7 0 68.41 18.41 1601.5 78.73 6-4 185.7 0 70.93 18.06 1632.5 78.55 6-5 185.7 0 73.39 17.47 1665.1 77.08 6-6 185.7 0 77.55 16.82 1719.6 75.92 6-10 213.4 0 56.25 24.47 1934.4 71.23 6-11 213.4 0 61.14 23.95 1997.3 73.39 6-12 213.4 0 64.53 23.37 2044.6 73.83 6-13 213.4 0 64.12 23.27 2088.0 74.88 6-14 213.4 0 70.32 23.06 2135.5 76.00 注：現(xiàn)場實(shí)測時(shí)進(jìn)水位較高，78.4 kPa左右的高揚(yáng)程未能測得，故在高速(n=213 r/min)時(shí)運(yùn)行未測得其最高效率工況。與模型換算所得的原型性能比較，實(shí)測結(jié)果與換算結(jié)果基本一致。

　　從現(xiàn)場測試結(jié)果可見，包括電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的機(jī)組裝置效率達(dá)到了79%，如不包括電動(dòng)機(jī)，則可得到泵裝置效率為86%，遠(yuǎn)超過《泵站技術(shù)規(guī)范》及《泵站技術(shù)改造通則》的要求。在國內(nèi)同類泵裝置中達(dá)到最高水平。

6　結(jié)論

　?、俨捎秒p速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵裝置能夠較好地適應(yīng)泵裝置揚(yáng)程(泵站揚(yáng)程)變幅較大的工況，保證水泵及其裝置在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行。
　?、谕ㄟ^優(yōu)化選型、精心設(shè)計(jì)和加工，軸流泵及其裝置的真機(jī)性能可以大幅度提高，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
　?、鬯玫南嗨坡蓪?duì)水泵裝置同樣是適用的，理論和實(shí)測都已經(jīng)證明，利用水泵相似律對(duì)原型與模型水泵裝置進(jìn)行能量換算具有足夠的準(zhǔn)確度，可滿足生產(chǎn)要求。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］駱馬金A B.離心泵與軸流泵［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1978.

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　　電　話：(0514)7971817　7979520
　　收稿日期：2001-06-22