雙速雙高效點軸流泵模型試驗及應用
劉超1，袁家博2，湯方平1，周濟人1，成立1
(1.揚州大學水利與建筑工程學院，江蘇揚州225009；2.揚州大學工學院，江蘇揚州225009)
摘 要：針對變幅較大的泵站揚程，設計了雙速雙高效點的軸流泵水力模型，通過模型泵裝置試驗獲得了優(yōu)良的能量特性和氣蝕特性，保證水泵在高、低兩種設計揚程下均能高效運行。投產(chǎn)后的現(xiàn)場測試表明，真機運行平穩(wěn)、噪音低，最高效率達到79%。
關鍵詞：泵站；雙速電機；軸流泵；模型試驗
中圖分類號：TU991.35
文獻標識碼：C
文章編號：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工程。東江太園抽水站是東深供水工程的源頭抽水站，裝機6臺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)異步電動機驅(qū)動，單機功率為2600/1800kW，以適應東江水位變幅較大所引起的揚程變化。當東江水位較高(揚程H＜68.6 kPa)時，泵轉(zhuǎn)速為186 r/min；水位較低(H≥68.6 kPa)時，泵轉(zhuǎn)速為213 r/min，以保持流量Q在20.5m3/s左右，水泵機組運行時數(shù)為8000 h/a左右。為提高機組裝置效率、降低振動和噪聲，進行了精心的水力計算和模型試驗研究，得到優(yōu)秀的模型裝置性能和水力模型性能，完全滿足設計要求。真機轉(zhuǎn)輪葉片應用數(shù)控技術加工，安裝投產(chǎn)后運行良好，經(jīng)嚴格、全面的現(xiàn)場測試，表明水泵揚程、流量達到設計要求，最高裝置效率(含電機)達79%～80%，機組運行平穩(wěn)、振動小、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在揚州大學水泵通用試驗臺上進行。該試驗臺如圖1所示為一立式封閉循環(huán)系統(tǒng)。
1.1 轉(zhuǎn)輪
模型轉(zhuǎn)輪為揚州大學研制的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+導葉)的試驗量測性能見圖1。
1.2進、出水流道
進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(雙工況設計)
太園抽水站的實際運行揚程變幅較大，為保證較高的運行效率，采用兩種轉(zhuǎn)速即雙速設計，分別為：213 r/min和186 r/min，它們的最高效率點分別對應于78.4 kPa和58.8 kPa的裝置揚程，最高裝置揚程可達107.8 kPa。模型轉(zhuǎn)速為1 364 r/min。
2 試驗設備
主要設備有：進水箱，壓力水箱，汽水分離筒，文丘里流量計，輔助加壓裝置，調(diào)節(jié)閘閥，抽真空裝置、管路，計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，控制臺等。
該試驗裝置效率綜合誤差為±0.57%，精度高于國家標準(GB 3216—89)的指標。流量測量：采用雙向文丘里流量計，流量計壓差由日本引進的UNE—11型差壓變送器測量。差壓變送器輸出的電壓信號由電壓表采樣，經(jīng)標準接口接入計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。流量計性能穩(wěn)定、重復性好。
揚程測量：揚程由指定泵裝置進出口斷面的壓差決定，進口斷面選取在進水箱的出口附近，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，通過標準接口接入微機數(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，同時傳送轉(zhuǎn)矩信號和轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)TS—800B型二次儀表處理后接入計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。軸功率N與轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩M的關系為：N=M·n。
真空度測量：真空度用精度等級為0.2級的精密真空表測定。
3 試驗
3.1模型裝置相似問題
通常采用的相似準則是針對水泵的轉(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)的流動是處于慣性系之中，慣性力占主導地位，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“等揚程準則”。
對于泵裝置來說，泵轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動和轉(zhuǎn)輪外管路中的流動是性質(zhì)不同的兩種流動，即管道內(nèi)為有壓流動，要使得泵模型中這兩種流動均為相似是很困難的。在江都抽水站水泵模型裝置試驗研究中，通過對泵段和管路的特性分別進行分析，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。試驗研究的是整個裝置特性這一最終結(jié)果，而非具體的流動形態(tài)，故其試驗結(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的結(jié)果所證實。
3.2試驗轉(zhuǎn)速
理論上受試泵的轉(zhuǎn)速應當滿足nD=常數(shù)的準則，照此計算，對應原型兩種轉(zhuǎn)速，模型額定轉(zhuǎn)速的高速應為n=1 562 r/min，低速應為n=1 364 r/min。根據(jù)國家標準GB 3216—89的規(guī)定，水泵試驗轉(zhuǎn)速允許相差±20%，實際試驗轉(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)速有足夠的準確度。而在試驗轉(zhuǎn)速下測得的必需氣蝕余量(NPSH)按照NPSHr1/NPSHr2=(n1/n2)2的關系換算則是偏于安全的，即換算所得NPSHr比實際值要大。
3.3 壓力量測斷面
水泵裝置模型如圖2所示。
裝置進口量測斷面取在進水箱1-1斷面，裝置出口量測斷面設在壓力水箱2-2斷面。這兩個斷面的水流相對較穩(wěn)定，它們之間的總水頭差就是模型裝置揚程，差壓變送器兩個測管接頭位于同一高程時，裝置揚程按下式計算：
Hsy=(P2／ρg-P1／ρg+z2-z1)+(v22／2g-v12／2g) (1)
式中 P1、P2 ——分別為進、出口斷面壓力
z1、z2——分別為進、出口斷面位置水頭
v1、v2——分別為進、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。
3.4氣蝕試驗
氣蝕試驗時，在保持流量不變情況下，在進水箱內(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——試驗水溫下水的飽和蒸汽壓力水頭，kPa
hv——進水箱水面上的真空度，kPa
h淹——水泵葉輪中心線進水位下淹沒深度，m
根據(jù)驗收規(guī)范要求，在效率下降1.0%時式(2)所得的數(shù)值就是必需氣蝕余量(NPSHr)。
4 模型試驗結(jié)果
模型試驗分別測試5個水泵葉片角的能量性能和氣蝕性能。表1為模型裝置高效點的性能參數(shù)，模型裝置的通用及氣蝕性能曲線見圖3。
因為低轉(zhuǎn)速與高轉(zhuǎn)速相差很小，可以認為相似點裝置效率不變，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)速的泵裝置需要揚程(即泵揚程)，H01和H02分別為裝置揚程，hl1和hl2為裝置的管路損失，則 H1=H01+hl1，因hl1=SQ21(S為管路損失系數(shù))，故：
H1=H01+SQ21 (3)
同理：H2=H02+hl2=H02+SQ22 (4)
根據(jù)水泵的相似律有(以λ為比尺)：
H1／H2=(n1／n2)2=λn2；Q1／Q2=λn (5)
H1=H2·λn2
Q1=Q2·λn
由式(3)和式(5)得：
H01=H1-SQ12=H2·λn2-S(Q2λn)2=(H2-SQ2)λn2 (6)
由式(4)得：
H02=H2-SQ22 (7)
將式(7)代入式(6)得：
H01=H02λn2 (8)
即：H01／H02=(n1／n2)2
式(8)表明裝置揚程也遵從比例律的關系，條件是管路損失需遵從hl=SQ2的關系，且S與流量變化無關。事實上由于低揚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形態(tài)不可避免地會產(chǎn)生差異，相應的損失系數(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S的變化值很小。
由此可知，對泵裝置來說其揚程流量性能換算仍然遵從水泵相似律。顯然，因為泵軸功率Pa=ρgQH，故軸功率比尺λpa=λH·λQ=λ2nλn=λ3n也符合水泵比例律的關系。
事實上不僅如此，假如泵裝置進、出水管路(甚至開敞進、出水池)內(nèi)流動處于阻力平方區(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程流量關系仍然遵從水泵相似律。
5 現(xiàn)場試驗結(jié)果
該機組在太園抽水站建成后于1998年9月投入商業(yè)運行。為了測定該站各水泵機組在運行狀況下的真實性能，檢驗設計、設備制造和安裝水平及機組性能保證，同時為抽水站的運行管理自動化，優(yōu)化調(diào)度及經(jīng)濟運行創(chuàng)造良好條件，對該站機組效率、起動過程等進行了測試。測試從1999年6月—8月歷時1個多月，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)場測試嚴格按照《泵站現(xiàn)場測試規(guī)程》(SD 140—85)及相關規(guī)范要求進行。取得了我國大型泵站最為完整的現(xiàn)場實測資料。表2為部分測試結(jié)果。
從現(xiàn)場測試結(jié)果可見，包括電動機在內(nèi)的機組裝置效率達到了79%，如不包括電動機，則可得到泵裝置效率為86%，遠超過《泵站技術規(guī)范》及《泵站技術改造通則》的要求。在國內(nèi)同類泵裝置中達到最高水平。
6 結(jié)論
①采用雙速電機驅(qū)動的泵裝置能夠較好地適應泵裝置揚程(泵站揚程)變幅較大的工況，保證水泵及其裝置在高效區(qū)內(nèi)運行。
②通過優(yōu)化選型、精心設計和加工，軸流泵及其裝置的真機性能可以大幅度提高，具有巨大的經(jīng)濟效益。
③水泵的相似律對水泵裝置同樣是適用的，理論和實測都已經(jīng)證明，利用水泵相似律對原型與模型水泵裝置進行能量換算具有足夠的準確度，可滿足生產(chǎn)要求。
參考文獻：
［1］駱馬金A B.離心泵與軸流泵［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1978.
電 話：(0514)7971817 7979520
收稿日期：2001-06-22
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