谈大中型水利工程立式轴流泵模型试验
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摘要：立式轴流泵适用于低扬程、长时间运行的泵站，本文从立式轴流泵装置的选型性能分析入手，以某泵站工程建设为例，围绕立式轴流泵装置的模型建立、试验台设置、试验方法分析等层面，依据试验测试结果获取到装置的能量性能、汽蚀性能与飞逸特性，为立式轴流泵在大中型水利工程中的具体应用提供参考。
0引言
立式轴流泵主要包含固定叶片、可调叶片两种类型，具有运行稳定、易于安装检修等优势，符合泵站低扬程、大流量、高可靠性、长时间运行等性能需求。然而在低扬程运行工况下，立式轴流泵的水力效率无法得到有效保障，还需通过模型试验进行泵装置运行性能的检验，保障其在正常工况下的安全高效运行。
1立式轴流泵装置选型性能分析
1.1不同泵的几何相似性分析
性能参数的差异性决定了不同泵之间的几何相似与运动相似，基于相似定律可推导出一系列泵的扬程、流量、转数等参数的相互关系，进而计算出比转数泵的作业区域、运行工况将对比转数产生影响，ns即代指泵在最高效率点运行状态下的无因次量参数，通常可将比转数作为相似判据，几何相似的泵在同等工况下的ns数值相等。但ns数值相同的泵，则不能推断出其几何形状一定相似，例如针对ns=500的泵，其几何形状包含轴流式、斜流式等类型；针对ns=400的泵，则有可能是涡壳式或导叶式；而针对ns数值相同的泵，其叶轮可以分为5枚叶片或7枚叶片等，因此也存在部分几何不相似泵的ns数值相等这一情况。但针对同属于立式轴流泵的一类泵，在其ns数值相同的条件下，需基于流动规律进行泵体几何形状的设计，保障其几何相似性，以此在相似工况下优化泵的使用性能。
1.2立式轴流泵选型性能分析
立式轴流泵被广泛应用于我国大中型水利工程中，其工作原理是依靠倾斜的翼形叶片转动所产生的推力实现扬水。该泵的应用优势主要包含以下三点：①叶轮淹没在水面以下，不会造成汽蚀问题；②上水速度快，无需灌引水即可启动，可实现自动运行；③体积较小，无需耗费过大占地面积。在基于立式轴流泵的性能进行选型分析时，通常需以叶轮直径D、水泵转速n和nD数值作为参考依据，其中nD数值主要用于调节叶轮进口外缘部位的流速，避免发生汽蚀问题。为防止叶轮进口处出现汽蚀、吸入旋涡等问题，还需注重进行淹没深度的控制，同时防范因nD数值过大引发叶轮外缘处的间隙汽蚀问题。
2大中型水利工程中立式轴流泵装置性能的应用实践探讨
2.1工程概况
以某大型低扬程泵站建设项目为例，该泵站采用立式轴流泵装置，其进出水流道分别为肘形与圆直管状。泵站内设有5台1300ZLB型立式轴流泵机组与YL710-16型高压电机，叶轮直径为1150mm、转速370r/min，单机功率为500kW、设计流量为5m3/s；设计净扬程为5.2m，净扬程最高、最低值分别为7.4m和2.8m，平均值为5.2m。
2.2立式轴流泵装置模型试验
2.2.1模型建立
基于1：3.833比尺建立ZM55泵装置水力模型，将叶轮直径设为299.65mm，轮毂比为0.4，包含4枚叶片，采用黄铜作为制作材料，经由数控加工后制作成型；运用焊接工艺将钢板制成进出水流道，在叶轮室设有观察窗，用于查看叶片位置的汽蚀、水流等情况；在模型安装环节，确保导叶体与叶轮室定位面轴向跳动为0.1mm、叶轮轮毂外表面径向跳动0.08mm，叶顶间隙不超过0.2mm。
2.2.2试验台设置
采用高精度水力机械试验台开展模型试验，如图1所示，试验台全长60m，管道直径设为0.5m，系统水体积为50m3，其综合误差为±0.39%，符合国家标准与行业标准所规定的精度要求，可利用该试验台开展泵装置模型的性能、汽蚀与飞逸试验，并检验出泵装置的过渡特性与内特性，还可实现对电磁流量计的原位校验工作。
2.2.3试验方法
在正式开展模型泵装置试验时，选取直流整流器进行电机转速调节，将额定转速设为1418.3r/min，实际转速为1200r/min，待试验结束后运用标准转速1450r/min进行试验结果的换算。在测量轴功率方面，通常轴承与轴封间的摩擦损失是引发机械损失转矩的主要原因，对此可借助空载运转机组的方式获取具体数值；待完成叶片角度调节后，先完成空载转矩的测量，随后充水进行模型性能试验；选取ZJ型转速转矩传感器安装在驱动电机与泵轴之间，进而实现转速、输入转矩的测量。此外，泵装置模型在运行工况下的环境温度变化也将对测试结果造成影响，在考虑到该试验台回路系统容积较大，在单次测试过程中温度变化不明显的情况下，应选取开机运行约20min后的节点进行水温的测量，并确保在试验过程中水温的稳定性[2]。
2.3立式轴流泵装置模型的测试结果
2.3.1能量性能
在本次模型试验中，分别选取-4°、-2°、0°、+2°、+4°五个角度进行叶片安放角度的调节，并记录不同角度下的能量性能变化情况。通过观察测试结果可以发现，在转速相同、运行工况不变的情况下，扬程将随叶片安放角度的增加而增大。在叶片安放角度为+2°时，模型装置处于最优效率点，其效率达到80.2%，在此情况下模型泵装置的流量为383.29L•s-1、扬程为5.303m、轴功率为24.804kW。选取原型泵装置的流量、扬程参数绘制综合特性曲线，从中可以观察到在流量较小的情况下，泵装置整体运行效率较低；在相同转速、相同叶片安放角度下，随着流量的减小，其扬程将明显增大。
2.3.2汽蚀性能
基于定流量的能量法获取到模型装置的汽蚀性能试验结果，以叶轮中心为基准，选取模型效率较其性能点低1%的有效汽蚀余量作为临界汽蚀余量，完成临界汽蚀余量曲线的绘制。通过观察试验数据可以发现，装置的汽蚀性能在临近其设计扬程位置达到最优情况，临界汽蚀余量小于6m，可有效保障装置的安全运行。
2.3.3飞逸特性
采用辅助泵控制系统反向运转，在扭矩仪不受力的情况下测试模型泵在各扬程下的转速变化情况，获取到5种叶片安放角度下的单位飞逸转速，进而绘制出原型泵的飞逸特性曲线。通过观察试验数据与曲线可以发现，在叶片安放角度相同的条件下，伴随扬程的增大，其飞逸转速也会明显增大；伴随叶片安放角的增大，其单位飞逸转速将减小；当叶片安放角为+4°、净扬程最大值为7.4m时，飞逸转速最小值为636.3r/min，超出额定转速1.72倍；当叶片安放角为-4°、净扬程最大值为7.4m时，飞逸转速最大值为704.9r/min，超出额定转速1.91倍[3]。
2.3.4试验结论
总体来看，能量试验结果表明，将原型泵装置的扬程设为8.324m，可以符合泵站最大扬程7.4m的运行要求；汽蚀试验结果表明，将净扬程控制在2.8~7.4m范围内时，可保障装置的汽蚀性能达到最优；飞逸试验结果表明，在叶片安放角度为-4°时，其最大飞逸转速超出额定转速1.91倍，因此需针对电机结构进行优化设计，确保有效降低飞逸转速。宜将叶片安放角设为+1°，保障在设计扬程为5.2m的条件下，流量数值达到5.21m3/s，整体泵装置的效率提高到79%，且临界汽蚀余量能够有效满足轴流泵装置的安全运行需求。
3结论
本文采用降低转速、优化进出水流道等方式实现对立式轴流泵模型的优化设计，经由试验测试证明改进后的模型在能量性能、汽蚀性能与飞逸特性上均呈现出一定的优化，促使泵装置整体运行效率得到显著提升。将其运用于低扬程泵站中，可有效减少水力损失，满足水泵的安全、高效运行需求。
参考文献
[1]许健.立式轴流泵进水偏转的数值模拟与V3V测试[D].扬州：扬州大学，2016.
[2]王丽慧，施伟，沈昌荣，等.立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测[J].排灌机械工程学报，2016，34（9）：776-782.
[3]杨帆，赵浩儒，刘超，等.立式轴流泵装置进水流道出口流态与脉动试验分析[J].农业机械学报，2017（12）：141-146.
作者:孙炉飞 单位:诸暨市电力排灌站
