談大中型水利工程立式軸流泵模型試驗
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摘要：立式軸流泵適用于低揚程、長時間運行的泵站，本文從立式軸流泵裝置的選型性能分析入手，以某泵站工程建設為例，圍繞立式軸流泵裝置的模型建立、試驗臺設置、試驗方法分析等層面，依據試驗測試結果獲取到裝置的能量性能、汽蝕性能與飛逸特性，為立式軸流泵在大中型水利工程中的具體應用提供參考。
0引言
立式軸流泵主要包含固定葉片、可調葉片兩種類型，具有運行穩定、易于安裝檢修等優勢，符合泵站低揚程、大流量、高可靠性、長時間運行等性能需求。然而在低揚程運行工況下，立式軸流泵的水力效率無法得到有效保障，還需通過模型試驗進行泵裝置運行性能的檢驗，保障其在正常工況下的安全高效運行。
1立式軸流泵裝置選型性能分析
1.1不同泵的幾何相似性分析
性能參數的差異性決定了不同泵之間的幾何相似與運動相似，基于相似定律可推導出一系列泵的揚程、流量、轉數等參數的相互關系，進而計算出比轉數泵的作業區域、運行工況將對比轉數產生影響，ns即代指泵在最高效率點運行狀態下的無因次量參數，通常可將比轉數作為相似判據，幾何相似的泵在同等工況下的ns數值相等。但ns數值相同的泵，則不能推斷出其幾何形狀一定相似，例如針對ns=500的泵，其幾何形狀包含軸流式、斜流式等類型；針對ns=400的泵，則有可能是渦殼式或導葉式；而針對ns數值相同的泵，其葉輪可以分為5枚葉片或7枚葉片等，因此也存在部分幾何不相似泵的ns數值相等這一情況。但針對同屬于立式軸流泵的一類泵，在其ns數值相同的條件下，需基于流動規律進行泵體幾何形狀的設計，保障其幾何相似性，以此在相似工況下優化泵的使用性能。
1.2立式軸流泵選型性能分析
立式軸流泵被廣泛應用于我國大中型水利工程中，其工作原理是依靠傾斜的翼形葉片轉動所產生的推力實現揚水。該泵的應用優勢主要包含以下三點：①葉輪淹沒在水面以下，不會造成汽蝕問題；②上水速度快，無需灌引水即可啟動，可實現自動運行；③體積較小，無需耗費過大占地面積。在基于立式軸流泵的性能進行選型分析時，通常需以葉輪直徑D、水泵轉速n和nD數值作為參考依據，其中nD數值主要用于調節葉輪進口外緣部位的流速，避免發生汽蝕問題。為防止葉輪進口處出現汽蝕、吸入旋渦等問題，還需注重進行淹沒深度的控制，同時防范因nD數值過大引發葉輪外緣處的間隙汽蝕問題。
2大中型水利工程中立式軸流泵裝置性能的應用實踐探討
2.1工程概況
以某大型低揚程泵站建設項目為例，該泵站采用立式軸流泵裝置，其進出水流道分別為肘形與圓直管狀。泵站內設有5臺1300ZLB型立式軸流泵機組與YL710-16型高壓電機，葉輪直徑為1150mm、轉速370r/min，單機功率為500kW、設計流量為5m3/s；設計凈揚程為5.2m，凈揚程最高、最低值分別為7.4m和2.8m，平均值為5.2m。
2.2立式軸流泵裝置模型試驗
2.2.1模型建立
基于1：3.833比尺建立ZM55泵裝置水力模型，將葉輪直徑設為299.65mm，輪轂比為0.4，包含4枚葉片，采用黃銅作為制作材料，經由數控加工后制作成型；運用焊接工藝將鋼板制成進出水流道，在葉輪室設有觀察窗，用于查看葉片位置的汽蝕、水流等情況；在模型安裝環節，確保導葉體與葉輪室定位面軸向跳動為0.1mm、葉輪輪轂外表面徑向跳動0.08mm，葉頂間隙不超過0.2mm。
2.2.2試驗臺設置
采用高精度水力機械試驗臺開展模型試驗，如圖1所示，試驗臺全長60m，管道直徑設為0.5m，系統水體積為50m3，其綜合誤差為±0.39%，符合國家標準與行業標準所規定的精度要求，可利用該試驗臺開展泵裝置模型的性能、汽蝕與飛逸試驗，并檢驗出泵裝置的過渡特性與內特性，還可實現對電磁流量計的原位校驗工作。
2.2.3試驗方法
在正式開展模型泵裝置試驗時，選取直流整流器進行電機轉速調節，將額定轉速設為1418.3r/min，實際轉速為1200r/min，待試驗結束后運用標準轉速1450r/min進行試驗結果的換算。在測量軸功率方面，通常軸承與軸封間的摩擦損失是引發機械損失轉矩的主要原因，對此可借助空載運轉機組的方式獲取具體數值；待完成葉片角度調節后，先完成空載轉矩的測量，隨后充水進行模型性能試驗；選取ZJ型轉速轉矩傳感器安裝在驅動電機與泵軸之間，進而實現轉速、輸入轉矩的測量。此外，泵裝置模型在運行工況下的環境溫度變化也將對測試結果造成影響，在考慮到該試驗臺回路系統容積較大，在單次測試過程中溫度變化不明顯的情況下，應選取開機運行約20min后的節點進行水溫的測量，并確保在試驗過程中水溫的穩定性[2]。
2.3立式軸流泵裝置模型的測試結果
2.3.1能量性能
在本次模型試驗中，分別選取-4°、-2°、0°、+2°、+4°五個角度進行葉片安放角度的調節，并記錄不同角度下的能量性能變化情況。通過觀察測試結果可以發現，在轉速相同、運行工況不變的情況下，揚程將隨葉片安放角度的增加而增大。在葉片安放角度為+2°時，模型裝置處于最優效率點，其效率達到80.2%，在此情況下模型泵裝置的流量為383.29L•s-1、揚程為5.303m、軸功率為24.804kW。選取原型泵裝置的流量、揚程參數繪制綜合特性曲線，從中可以觀察到在流量較小的情況下，泵裝置整體運行效率較低；在相同轉速、相同葉片安放角度下，隨著流量的減小，其揚程將明顯增大。
2.3.2汽蝕性能
基于定流量的能量法獲取到模型裝置的汽蝕性能試驗結果，以葉輪中心為基準，選取模型效率較其性能點低1%的有效汽蝕余量作為臨界汽蝕余量，完成臨界汽蝕余量曲線的繪制。通過觀察試驗數據可以發現，裝置的汽蝕性能在臨近其設計揚程位置達到最優情況，臨界汽蝕余量小于6m，可有效保障裝置的安全運行。
2.3.3飛逸特性
采用輔助泵控制系統反向運轉，在扭矩儀不受力的情況下測試模型泵在各揚程下的轉速變化情況，獲取到5種葉片安放角度下的單位飛逸轉速，進而繪制出原型泵的飛逸特性曲線。通過觀察試驗數據與曲線可以發現，在葉片安放角度相同的條件下，伴隨揚程的增大，其飛逸轉速也會明顯增大；伴隨葉片安放角的增大，其單位飛逸轉速將減小；當葉片安放角為+4°、凈揚程最大值為7.4m時，飛逸轉速最小值為636.3r/min，超出額定轉速1.72倍；當葉片安放角為-4°、凈揚程最大值為7.4m時，飛逸轉速最大值為704.9r/min，超出額定轉速1.91倍[3]。
2.3.4試驗結論
總體來看，能量試驗結果表明，將原型泵裝置的揚程設為8.324m，可以符合泵站最大揚程7.4m的運行要求；汽蝕試驗結果表明，將凈揚程控制在2.8~7.4m范圍內時，可保障裝置的汽蝕性能達到最優；飛逸試驗結果表明，在葉片安放角度為-4°時，其最大飛逸轉速超出額定轉速1.91倍，因此需針對電機結構進行優化設計，確保有效降低飛逸轉速。宜將葉片安放角設為+1°，保障在設計揚程為5.2m的條件下，流量數值達到5.21m3/s，整體泵裝置的效率提高到79%，且臨界汽蝕余量能夠有效滿足軸流泵裝置的安全運行需求。
3結論
本文采用降低轉速、優化進出水流道等方式實現對立式軸流泵模型的優化設計，經由試驗測試證明改進后的模型在能量性能、汽蝕性能與飛逸特性上均呈現出一定的優化，促使泵裝置整體運行效率得到顯著提升。將其運用于低揚程泵站中，可有效減少水力損失，滿足水泵的安全、高效運行需求。
參考文獻
[1]許健.立式軸流泵進水偏轉的數值模擬與V3V測試[D].揚州：揚州大學，2016.
[2]王麗慧，施偉，沈昌榮，等.立式軸流泵裝置模型水力性能數值分析及預測[J].排灌機械工程學報，2016，34（9）：776-782.
[3]楊帆，趙浩儒，劉超，等.立式軸流泵裝置進水流道出口流態與脈動試驗分析[J].農業機械學報，2017（12）：141-146.
作者:孫爐飛 單位:諸暨市電力排灌站
