黄家坝30°斜式轴流泵装置模型试验研究

刘润根，马晓忠，詹 磊

(1.江西省水利规划设计院，南昌 330029 ；2. 江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 洪泽 223100；3. 南昌市昌南城市防洪管理处，南昌 330039)

1 概 述

黄家坝泵站位于江西省吉安市泰和县，是赣江石虎塘航电枢纽工程防护区的骨干排涝泵站。泵站设计净扬程2.18 m，最低净扬程0 m，最高净扬程3.01 m，设计流量38.4 m3/s。泵站装设3台1800ZXB12.8-3型30°斜式轴流泵机组，配TXZ560-24/1730 560 kW同步电机，水泵叶轮直径为1.68 m，水泵转速250 r/min。泵站采用一列式布置，肘形进水流道，直管式出水流道。其中肘形进水流道入口宽度4.4 m，高度3.1 m，流道出口为DN1 800 mm的圆截面。出水管则是采用DN1 800 mm等直径圆管，后渐变为3 000 mm×3 000 mm涵洞穿过大堤，涵洞出口设置拍门断流。泵站纵剖面如图1所示。

图1 泵站纵剖面

2 模型泵装置试验

2.1 模型设计

黄家坝水泵叶轮直径Dp=1.68 m，模型水泵叶轮直径Dm=300 mm，则几何比尺λD=Dp/Dm=5.6。按照几何相似和阻力相似，用钢板焊接制作模型进水流道和出水流道，并在模型进水流道侧壁开设流态观测窗，模型泵装置见图2。水泵模型选用的是ZM3.0-Y991。模型试验准则为欧拉相似准则(Eu=idem)，即要求原型与模型nD相等，据此可得模型试验转速nm=(npDp)/Dm=1 400 r/min，其中原型泵转速np=250 r/min。

图2 模型泵装置

2.2 模型试验系统

黄家坝模型试验是在江苏省水利动力工程重点实验室进行，模型试验系统如图3所示。重点实验室的水力机械泵站试验台采用封闭立式循环系统，试验台由水力循环系统、量测系统、监控系统、数据采集与处理系统、动力及辅助系统组成。试验台封闭循环系统总长60.0 m，管道直径为0.5 m和0.4 m，系统水体容积为50 m3，蓄水池容积120 m3，回水池容积80 m3。试验台主要工作参数：扬程-6～21 m，流量0.1～0.5 m3/s，转矩0～500 N·m，转速：0～2 000 r/min。试验台可开展水泵及水泵装置能量特性、空化性能、飞逸特性试验，水力机械水流脉动；水轮机工况试验；水泵或水泵装置过渡特性、内特性试验。

1-动力机；2-真空箱；3-压力箱；4-分叉水箱；5-称重传感器；6-原位标定装置；7-调节阀；8-稳压整流筒；9-电磁流量计；10-控制闸阀；11-辅助泵机组；12-扭矩仪；13-试验水泵段；14-进水流道；15-出水流道图3 模型泵装置试验系统

泵或泵装置综合系统误差小于±0.39%，高于国际标准(ISO/DIS5198)、GB3216-2005国家标准A级精度和SL140-2006水利部行业标准A级精度，符合招标技术文件要求。

2.3 测试方法

(1)流量Q。采用开封仪表厂制造的MF型(DN400)电磁流量计测量(检定精度±0.17%)。测试中，按照国家标准GB/T 3216-2005和水利部行业规程SL 140-2006规定，从大流量到小流量依次测试15个以上的不同流量点。

(2)泵装置扬程Hsy。装置扬程的进口测压断面设置在真空箱，出口测压断面设在压力水箱，装置扬程Hsy等于进口测压断面和出口测压断面的总能头差(即相应于原型泵站的上下游水位差)，由EJA110A差压变送器测得。

(3)轴功率P、转速n。采用ZJ-200测功扭矩仪，检定精度0.2级，出厂检定线性度及重复性均不大于±0.1%。采用变频器调节模型水泵试验电机转速，根据等扬程相似律(即nD=idem)，模型水泵试验转速确定为1 400 r/min。精度0.05%。

(4)模型泵装置效率ηm。模型泵装置机械损失转矩主要由轴承与轴封摩擦损失等造成，在机组无水运转时测出。每次调整叶片安放角度后先测试空载转矩，再充水进行性能试验。本文所指的模型泵装置效率为扣除机械损失后的数值，由下式计算：

(1)

式中：Qm为模型流量，m3/s；Hsym为模型泵装置扬程，m；Pm为模型泵输入轴功率，W；P0为空载功率，W。

(5)空化余量测量NPSH。空化试验保持流量不变，由真空泵抽真空，减低封闭循环系统压力，使泵内发生空化。不同系统压力下的空化余量值由下式计算：

(2)

式中：NPSHav为空化余量，m；pav为装置进口测压点的绝对压强，由绝对压力变送器测得，Pa；pv为试验水温下水的饱和蒸汽压强，Pa；h为绝对压力变送器高于泵叶片旋转中心线与叶轮外壳交点的高度值，m。

(6)飞逸转速测量。飞逸试验水头由辅助泵提供，脱开扭矩仪与电机之间的联轴器，调整辅助泵的转速，测得不同水头下模型泵装置反转且输出力矩为零时的转速和流量。飞逸特性可用单位飞逸转速和单位飞逸流量表示，按下式计算：

(4)

式中：n′1为单位飞逸转速，r/min；Q′1为单位飞逸流量，m3/s；D为叶轮直径，m；H为上下游总水头差，m。

3 模型试验结果与分析

3.1 动力特性试验

测试黄家坝模型泵装置5个不同叶片角度(±4°，±2°，0°)下的动力特性，各个叶片角下的测量工况点为22个。数据采集系统对各工况点采样10次并作几何平均，以便消除水流脉动的影响。整理试验结果得到的模型泵装置综合特性曲线见图4，按国家标准GB/T 3216-2005进行换算得到的原型泵装置动力特性曲线见图5。

图4 模型泵装置能量特性曲线图

图5 原型泵装置能量特性曲线

由模型试验结果可看出，5种叶片角度下的流量-扬程、流量-功率曲线符合轴流泵装置特性规律，即同一角度下扬程、轴功率随流量减少而增大，泵装置最高效率随叶片角度减小而增大。泵装置高效区范围较宽，效率较高；5种叶片角度+4°、+2°、0°、-2°和-4°的泵装置最高效率分别达到77.91%、79.82%、80.84%、82.19%、83.0%。在叶片0°时，对应设计扬程2.18 m的流量为12.01 m3/s、效率69.78%，但最大扬程3.02 m的流量为11.21 m3/s、效率78.17%。

3.2 空化性能试验

按照空化相似准则确定空化试验转速为1 400 r/min，即空化余量原型与模型相等。试验测试了3个不同叶片角度(±2°，0°)的模型泵装置空化特性。根据SL140-2006规范要求，取泵装置效率下降1%作为临界空化余量[NPSH]c，空化试验结果如表1所示。

表7 原型泵装置空化特性

试验结果表明，对泵站运行工况的较大范围内， 3个叶片角度下的空化余量均小于10 m，只是在叶片+2°大流量时的空化性能较差。

3.3 飞逸特性试验

模型泵装置飞逸特性试验是在脱开动力机，由试验系统中的辅助水泵给模型泵机组提供反转作用水头，测试在不同反转飞逸工况下的反作用水头H、倒流流量Q以及转速n，由式(3)和式(4)计算单位转速n′1和单位流量Q′1，并按照各工况点的单位转速n′1和单位流量Q′1的平均值换算。试验测试黄家坝泵站叶片-4°下飞逸特性，如图6和图7所示，平均后的单位转速和单位流量分别为n′1=310、Q′1=3.12。研究结果表明，泵站在最大扬程3.02 m时，飞逸转速n=320.7 r/min为水泵机组额定转速的1.28倍，小于1.5倍的额定转速，属于安全范围以内。

图6 模型飞逸特性曲线

图7 原型飞逸特性曲线

4 结 论

对黄家坝30°斜式轴流泵装置的模型泵装置试验结果分析，可得到以下几点结论：

(1)5个叶片角度下模型泵装置最高效率在79%～83%之间，30°斜式轴流泵装置效率较高，斜式泵装置较适用于低扬程大型排涝泵站。

(2)由ZM3.0-Y991模型水泵与斜式进水流道、直管式出水流道匹配组成的泵装置空化余量均小于10 m，斜式泵装置空化性能优良。

(3)水泵装置单位飞逸转速不大，在最大装置扬程下飞逸转速满足工程安全。

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