戴 勇，唐開勝

(泰興市馬甸水利樞紐服務(wù)中心，江蘇 泰興 225434)

1 項(xiàng)目介紹

通過與國內(nèi)某樞紐的泵站相結(jié)合，對(duì)豎井貫流泵的裝置水力特性加以分析，該泵站主要是為保證城市雨水的排澇。具體的設(shè)計(jì)參數(shù)為：最低揚(yáng)程為Hmin=0.0m，最高揚(yáng)程為Hmax=2.0m，凈揚(yáng)程為H=1.0m，該泵站為特低揚(yáng)程型泵站。根據(jù)該泵站的主要特性決定運(yùn)用豎井貫流式的泵裝置。初期則通過選擇泵葉輪直徑3.0m和轉(zhuǎn)速95r/min的4套豎井貫流泵，每臺(tái)泵的流量達(dá)到25m3/s。并運(yùn)用平行軸齒輪減速箱在泵和電動(dòng)機(jī)間進(jìn)行傳動(dòng)，并且傳動(dòng)比達(dá)到i≈7.83，電動(dòng)機(jī)功率則為900kW[1-2]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和模型的選擇分析

本次選擇在國內(nèi)某實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展研究。此次使用的平臺(tái)為平面布置式平臺(tái)，其主要是由動(dòng)力和控制以及水力循環(huán)和測(cè)量等相關(guān)的主要系統(tǒng)加以組全而成。該平臺(tái)所使用的動(dòng)力設(shè)備為：動(dòng)力機(jī)和潛水輔助泵以及真空泵。動(dòng)力機(jī)則采用直流式電動(dòng)機(jī)，而調(diào)速裝置則使用591C直流式，并且配備LC60BM-CI5F光電編碼器，最終對(duì)于轉(zhuǎn)速的有效控制精度可以達(dá)到±0.01%。水力系統(tǒng)為：開敞式貯水池100m3、2m×2m×3m移動(dòng)式鋼箱、75m3水量調(diào)節(jié)池、25m3壓力箱、25m3真控箱、p500回水管等。

平臺(tái)參數(shù)：揚(yáng)程-1-16m，流量0-0.8m2/s，動(dòng)力機(jī)功率40kW、轉(zhuǎn)速0-1600r/min。平臺(tái)布置圖，見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平面布置圖

依據(jù)該泵站的現(xiàn)實(shí)運(yùn)行情況顯示，選擇水力模型時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇高于轉(zhuǎn)數(shù)ns1200以上的低揚(yáng)程軸流泵的相關(guān)模型。通過一系列的對(duì)比，決定選擇350ZMB-3.8模型，其揚(yáng)程4.55m，流量402.49L/s，效率η=87.81%[3]。

3 本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的主要參數(shù)

1)流量Q：針對(duì)流量的實(shí)際測(cè)量選擇使用LDG-500型電磁流量計(jì)，并由轉(zhuǎn)換器直接的獲取，并同時(shí)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的記錄以及顯示；另外，將統(tǒng)流管流速流量計(jì)安裝在電磁流量計(jì)的前部，然后利用二次儀表對(duì)差壓水柱和流速以及流量值進(jìn)行直接的采集。

2)裝置揚(yáng)程Hsy：通過建立于進(jìn)口壓力與出水壓力的水箱壁處測(cè)量點(diǎn)，然后選擇相應(yīng)的斷面，街壓力穩(wěn)定之后與差壓變送器進(jìn)行直接連接，而水泵裝置的揚(yáng)程在忽略相應(yīng)損失后的計(jì)算為：

(1)

研究使用的平臺(tái)水箱由于過水?dāng)嗝娣e較大，因此υ1≈υ2。壓差變送器應(yīng)當(dāng)安裝于高壓和低壓進(jìn)口管的統(tǒng)一高程范圍內(nèi)，所以z1=z2，水泵裝置的揚(yáng)程Hsy=(p1-p2)/ρg，而水泵裝置揚(yáng)程Hsy(m)則為差壓變送器的mH2O讀數(shù)。

3)扭矩T和軸功率P以及轉(zhuǎn)速n：利用測(cè)功扭矩儀二次儀表對(duì)本次模型泵的軸扭矩T和軸功率P以及轉(zhuǎn)速n進(jìn)行直接讀取，與此同時(shí)，通過在儀表的串行口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接連接，由此記錄數(shù)據(jù)和顯示。另外針對(duì)模型泵軸功率，還可以使用馬達(dá)天平測(cè)功機(jī)進(jìn)行有關(guān)的測(cè)驗(yàn)，而軸功率計(jì)算的公式則為：

(2)

式中：G為負(fù)載條件下砝碼的質(zhì)量，kg；G0為同轉(zhuǎn)速且無水空轉(zhuǎn)的砝碼的質(zhì)量，kg；L為馬達(dá)天平臂桿的長(zhǎng)度，取L=0.974m。

4)模型裝置的效率：根據(jù)等揚(yáng)程相似的準(zhǔn)則予以確定模型泵的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速：

(3)

式中：nn為泵原型的轉(zhuǎn)速，r/min；nm為泵模型的轉(zhuǎn)速，r/min；Dn為泵原型的直徑，m；Dm為泵模型的直徑，m。

模型泵的裝置效率根據(jù)下述公式進(jìn)行計(jì)算：

ηsy=[ρgQHsy/(P-P0)]×100%

(4)

式中：ρ為水體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為模型流量，m3/s；Hsy為模型裝置揚(yáng)程，m；P為模型泵的輸入軸功率，W；P0為空載的功率，W。

測(cè)試的全部參考由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加以記錄和顯示。

5)泵裝置的有效與臨界的汽蝕余量：將壓差變送器低壓端和存在自由水面的開敞有機(jī)玻璃容器，將高壓端與進(jìn)口水箱揚(yáng)程的測(cè)孔連接，并保持水面以及葉輪中心保持在同一高度的狀態(tài)。當(dāng)實(shí)際測(cè)量出的變送器壓差值為△h/m時(shí)，則泵裝置實(shí)際的有效汽蝕余量計(jì)算為：

NPSHa=pa/(ρg)+△h-ρv/(ρg)

(5)

式中：pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa，pa/(ρg)=10.33m實(shí)驗(yàn)時(shí)水溫下的飽和蒸汽壓，Pa，當(dāng)水溫25℃時(shí)pv/(ρg)≈0.33m。所以有效汽蝕的余量：

NPSHa≈10+△h

(6)

據(jù)相關(guān)資料表明[5]，NPSHc臨界汽蝕余量根據(jù)泵效率的降低1%的汽蝕余量當(dāng)作臨界值。汽蝕實(shí)驗(yàn)中，保持流量的不變，并對(duì)封閉循環(huán)系統(tǒng)予以進(jìn)行抽真空，進(jìn)而有效汽蝕余量會(huì)跟隨真空度的提高而逐步的降低，當(dāng)效率降低1%有效汽蝕余量作為NPSHC。另外在必要時(shí)，可以運(yùn)用頻閃觀測(cè)器對(duì)泵葉片的汽蝕狀態(tài)進(jìn)行直接的觀測(cè)，由此確定實(shí)際測(cè)量的臨界汽蝕余量值。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要記錄和顯示所有的測(cè)定數(shù)據(jù)，并同時(shí)在系統(tǒng)上將顯示和記錄實(shí)際的揚(yáng)程和效率以及汽蝕余量[4-5]。

4 實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果、分析

4.1 能量實(shí)驗(yàn)

選擇模型泵葉片在不同的角度下(-4°、-2°、0°、+2°、+4°)，對(duì)其能量的特性開展相應(yīng)的實(shí)際測(cè)量，不同角度下效率動(dòng)力的特性分析表，見表1。

表1 不同角度下效率動(dòng)力的特性分析表

從表1的實(shí)際參數(shù)可以明顯看出，葉片角度呈現(xiàn)-4°時(shí)為模型泵的最佳，效率高達(dá)78.83%。

4.2 原型裝置結(jié)果

通過得用下述公式對(duì)泵站的原模型(Dn=3.0m，nn=95r/min)揚(yáng)程、流量進(jìn)行相應(yīng)的換算：

(7)

Qn=QmnrDr3=Qm×Dr2=100Qm

(8)

式中：r為原模型的比值。

根據(jù)下述公式對(duì)原型裝置的效率加以換算：

(9)

ηn=ηm×ηr

(10)

原型泵裝置的最優(yōu)工況效率為80.9%，與模型泵對(duì)比表明效率提高2%[6-7]。

4.3 汽蝕特性實(shí)驗(yàn)分析

汽蝕實(shí)驗(yàn)方法：通過與進(jìn)口水箱的揚(yáng)程取壓連通管進(jìn)行連接，并將汽蝕余量的取壓連通管加以引出，需要注意另外設(shè)計(jì)含有自由水面的透明容器。確保水面和葉輪的中心保持在同一高度之中。對(duì)于汽蝕余量的實(shí)際測(cè)定，可以用利用Philips芯片的JC-E110A-EMS4A-92DA電容式差壓變送器對(duì)泵葉輪中心水頭壓差△h/m進(jìn)行測(cè)定，變送器的量程在-10m-+10m，將高壓接口與取壓連通管進(jìn)行連接，并將低壓接口與透明容器進(jìn)行連接。通過變送器所測(cè)量出的水頭絕對(duì)壓力值(△h+10)即是NPSHa、NPSHc。而不同角度的葉片的不同工況NPSH臨界汽蝕余量分析表，見表2。

表2 臨界汽蝕余量分析表

4.4 泵裝置的飛逸特性

由下述公表達(dá)單位飛逸的轉(zhuǎn)速：

N0=nfDm/Hm1/2

(11)

式中：nf為實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)的飛逸轉(zhuǎn)速。

通過把實(shí)際沒出的單位飛逸轉(zhuǎn)速，單位飛逸轉(zhuǎn)速分析表，見表3。從表中顯示出，葉片角度-4°是單位飛逸轉(zhuǎn)速的最大值，由此說明葉片的角度不斷的提高則會(huì)導(dǎo)致單位飛逸轉(zhuǎn)速逐步開始降低。

表3 單位飛逸轉(zhuǎn)速分析表

4.5 結(jié)果分析

通過一系列的研究結(jié)果可以看出，葉片角度-4°為泵裝置的最優(yōu)工況，其最大效率ηm,max=78.8%，對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)的揚(yáng)程Hsy=1.70m，流量Q=22.66m3/s。設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hsy=1.0m、葉片角為-4°時(shí)，流量Q=25.35m3/s，模型裝置的效率為ηm=67.5%，原型裝置的效率為ηn=70.7%，軸功率為P=351kW，進(jìn)一步說明該泵符合設(shè)計(jì)的實(shí)際要求。

依據(jù)-4°-+4°不同的葉片角度以及揚(yáng)程0.56-2.56m多工況的實(shí)驗(yàn)，NPSHC均保持4.0-4.8m范圍內(nèi)，造成NPSHC數(shù)值和不同工況點(diǎn)差值較小的主要因素是水泵的轉(zhuǎn)速較低不高，n×D值285。進(jìn)一步說明在實(shí)際的運(yùn)行中，泵站不會(huì)出汽蝕的情況。

根據(jù)泵站泵裝置的一系列的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于特低揚(yáng)程泵站而言，運(yùn)用豎井貫流式水泵的效果最佳。并且由于該泵裝置的主要結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，因此在運(yùn)行中以及后期的維護(hù)中較為方便。因此十分適全在平原地區(qū)防洪排澇中。