劉曉成,蔡一平,孫圣杰;袁 堯,周廣新,楊 帆

(1.江陰市防汛抗旱服務(wù)中心,江蘇 江陰 214400;2. 江蘇省水利科學(xué)研究院,南京210017;3.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009;4.江蘇航天水力設(shè)備有限公司,江蘇 高郵 225600)

0 引 言

雙向立式泵裝置具有抽排、抽引、自排、自引等多重功能,且裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,施工及檢修方便,被廣泛應(yīng)用于我國(guó)沿江濱湖地區(qū)。在實(shí)際泵站運(yùn)行工程中,常有泵站機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲大、水泵空化嚴(yán)重等不良現(xiàn)象,對(duì)泵站的高效安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大影響。為此,許多學(xué)者針對(duì)該類(lèi)型泵裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水力性能及消渦措施等開(kāi)展了相關(guān)研究工作。張后文等[1]、趙振江等[2]采用數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)雙向立式泵裝置的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。王鐵力等[3]、金海銀等[4]等采用物理模型試驗(yàn),分別對(duì)澡港河泵站、新溝邊樞紐泵站泵裝置的能量性能、汽蝕性能和飛逸特性進(jìn)行了分析,為兩座泵站的高效安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支撐。單陸丹等[5]、楊帆等[6-7]采用數(shù)值模擬技術(shù),分析了雙向立式泵裝置的水力性能。

目前,針對(duì)泵裝置的研究方法主要采用數(shù)值模擬,輔以物理模型試驗(yàn),但以實(shí)際泵站的泵裝置為研究對(duì)象時(shí),大多采用物理模型試驗(yàn)的方法[8-12]。為了更加全面系統(tǒng)地了解該泵站的裝置性能,根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50265-2022)10.2.4節(jié)中雙層流道雙向泵站必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行裝置模型試驗(yàn)的要求,采用物理模型試驗(yàn)方法,對(duì)新桃花港江邊樞紐泵站泵裝置的運(yùn)行性能進(jìn)行測(cè)試,以期全面了解新桃花港江邊樞紐工程泵站的運(yùn)行性能,為同類(lèi)型泵站的設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理提供參考數(shù)據(jù)。

1 工程概況

新桃花港江邊樞紐工程位于江陰市璜土鎮(zhèn)桃花港與長(zhǎng)江連通處,工程主要功能為擴(kuò)大區(qū)域洪水北排長(zhǎng)江的能力,提高武澄錫虞地區(qū)防洪除澇能力、增強(qiáng)區(qū)域引江能力和水資源調(diào)控能力,增強(qiáng)區(qū)域河網(wǎng)水動(dòng)力,改善區(qū)域水環(huán)境。該工程采用泵閘合建的方式,泵站為排澇與引水雙重功能泵站,共3臺(tái)立式軸流泵機(jī)組,單機(jī)設(shè)計(jì)流量為16m3/s,配套高壓立式同步電動(dòng)機(jī),額定功率90kW,全站設(shè)計(jì)流量均為48m3/s,總裝機(jī)容量2 700kW。

為滿(mǎn)足該泵站雙向抽水的功能需要,泵站采用箱涵式雙向立式泵裝置結(jié)構(gòu)形式,流道為箱涵式雙向結(jié)構(gòu)。箱涵式雙向進(jìn)水流道長(zhǎng)度11.7D,凈寬2.66D,凈高1.25D;箱涵式雙向出水流道的長(zhǎng)度6.64D,凈寬2.66D,凈高1.25D。泵站特征揚(yáng)程見(jiàn)表1;泵房剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 泵房剖面圖

表1 泵站特征揚(yáng)程

表1中,凈揚(yáng)程是指僅考慮泵站上下游水位差,設(shè)計(jì)揚(yáng)程應(yīng)考慮攔污柵及上下游閘門(mén)門(mén)槽的水力損失,約0.3m。泵站運(yùn)行揚(yáng)程較低,正反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程相差較大,揚(yáng)程變幅較大。

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

新桃花港江邊樞紐工程雙向立式軸流泵裝置的物理試驗(yàn),在江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。該試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)在文獻(xiàn)[12]中有表述,泵裝置模型試驗(yàn)的葉輪名義直徑300 mm,轉(zhuǎn)速1 164 r/min,葉輪的葉片數(shù)為3,導(dǎo)葉體為擴(kuò)散導(dǎo)葉,導(dǎo)葉片數(shù)為5,原模型的泵裝置幾何比尺8.533。

新桃花港雙向立式泵裝置物理模型見(jiàn)圖2,箱涵式進(jìn)出水流道各部位幾何尺寸的最大允許誤差為5%。模型試驗(yàn)內(nèi)容包括:5個(gè)葉片安放角時(shí)泵裝置的能量性能;各葉片安放角時(shí)5個(gè)特征揚(yáng)程工況的泵裝置空化性能試驗(yàn)和各葉片安放角時(shí)泵裝置飛逸性能試驗(yàn)。

圖2 新桃花港雙向立式軸流泵裝置物理模型

在物理模型試驗(yàn)過(guò)程中,測(cè)試設(shè)備均經(jīng)過(guò)國(guó)家認(rèn)可的計(jì)量標(biāo)定部門(mén)檢定,標(biāo)定時(shí)間均在有效期內(nèi)。流量計(jì)的系統(tǒng)不確定度為±0.2%,凈揚(yáng)程測(cè)量的系統(tǒng)不確定度為±0.1%,轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩測(cè)量的系統(tǒng)不確定度為±0.15%,轉(zhuǎn)速測(cè)量的系統(tǒng)不確定度為±0.05%,則該試驗(yàn)臺(tái)泵裝置能量性能效率測(cè)試的系統(tǒng)不確定度為±0.274%。選取在揚(yáng)程1.603m時(shí)采集泵裝置的能量性能參數(shù)并計(jì)算效率的隨機(jī)不確定度為±0.11%,參照文獻(xiàn)[8]的計(jì)算方法,新桃花港江邊樞紐泵站的泵裝置效率測(cè)試的總不確定度為±0.296%,滿(mǎn)足《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)》(SL 140-2006)的要求。

3 結(jié)果與分析

在5個(gè)葉片安放角時(shí),雙向立式軸流泵裝置的最優(yōu)工況性能參數(shù)見(jiàn)表2。在葉片安放角0°時(shí),泵裝置的效率最高為70.01%;在葉片安放角+2°、-2°和-4°時(shí),泵裝置的最高效率均超過(guò)69%;在葉片安放角+4°時(shí),泵裝置的最高效率為67.71%。在排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.83m時(shí),葉片安放角+2°下泵裝置的流量為224.4 L/s,泵裝置效率為67.5%,對(duì)應(yīng)原型泵裝置的流量為16.34m3/s;在引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.34m時(shí),葉片安放角-4°下泵裝置的流量為215.8L/s,泵裝置效率為66.5%,對(duì)應(yīng)原型泵裝置的流量為16.84m3/s。在排澇和引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí),泵裝置的流量均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)流量16m3/s的要求,同時(shí)效率滿(mǎn)足《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50265-2022)10.1.11節(jié)中泵裝置效率不宜低于60%的要求。

表2 泵裝置能量性能試驗(yàn)最優(yōu)工況參數(shù)

[NPSH]c不同流量工況時(shí),泵裝置的臨界空化余量[NPSH]c變化規(guī)律見(jiàn)圖3。在葉片安放角為0° ～ +4°范圍內(nèi),臨界空化余量隨著流量的增大而減小;在相同流量時(shí),臨界空化余量隨著葉片安放角的增大而增大。在葉片安放角為負(fù)角度時(shí),臨界空化余量隨著流量的增大呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。在排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.83m時(shí),葉片安放角+2°下水泵的臨界空化余量為6.2m;在引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.34m時(shí),葉片安放角-4°下泵裝置的臨界空化余量為3.5m。在泵裝置空化性能模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,依據(jù)水泵的最小淹沒(méi)深度計(jì)算式,校核水泵的最小淹沒(méi)水深是否滿(mǎn)足水泵的空化性能要求。水泵的最小淹沒(méi)深度計(jì)算式如下:

圖3 不同流量時(shí)泵裝置的臨界空化余量曲線圖

(1)

式中:[NPSH]為水泵的允許空化余量;Pc為進(jìn)水流道的吸入水面的絕對(duì)壓力;Pv為水體的汽化壓力;ρ為水體的密度;g為重力加速度。

根據(jù)圖3可知,泵裝置在最大揚(yáng)程時(shí)臨界空化余量為6.5m,取允許空化余量為臨界空化余量的1.6倍,允許空化余量[NPSH]為10.4m,則hs=10.4-10.24+0.44=0.6m。新桃花港泵站水泵的葉輪中心安裝高度為-1.4m,最低進(jìn)水水位為1.59m,水泵的最小淹沒(méi)深度為2.99m,滿(mǎn)足水泵的空化性能要求。

不同葉片安放角時(shí),該泵裝置的水泵單位飛逸轉(zhuǎn)速見(jiàn)圖4(a)。隨著葉片安放角的逐漸增大,單位飛逸轉(zhuǎn)速逐漸減小。在排澇最大凈揚(yáng)程3.25m和引水最大凈揚(yáng)程2.81m時(shí),原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速及其與額定轉(zhuǎn)速的比值見(jiàn)圖4(b)。葉片安放角+2°時(shí),最大凈揚(yáng)程3.25m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.44倍;在葉片安放角-4°時(shí),最大凈揚(yáng)程2.81m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.54倍。

圖4 單位飛逸轉(zhuǎn)速及比值

4 結(jié) 論

1)在葉片安放角為0°時(shí),新桃花港江邊樞紐工程泵站的裝置效率最高為70.01%。在排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.83m時(shí),葉片安放角+2°下原型泵裝置的流量為224.4 L/s,效率為67.5%;在引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.34m時(shí),葉片安放角-4°下原型泵裝置的流量為16.84m3/s,泵效率為66.5%。表明在排澇和引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí),泵裝置的流量均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)流量要求。

2)在葉片安放角為0° ～ +4°范圍內(nèi),臨界空化余量隨著流量的增大而減小;在相同流量時(shí),臨界空化余量隨著葉片安放角的增大而增大。在葉片安放角為負(fù)角度時(shí),臨界空化余量隨著流量的增大呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。新桃花港泵站水泵葉輪中心的最小淹沒(méi)深度滿(mǎn)足水泵的空化性能要求。

3)葉片安放角為+2°時(shí),最大凈揚(yáng)程3.25m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.44倍;在葉片安放角-4°時(shí),最大凈揚(yáng)程2.81m下原型泵最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.54倍。建議按額定轉(zhuǎn)速的1.54倍校核機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。