双速双高效点轴流泵模型试验及应用

刘超1，袁家博2，汤方平1，周济人1，成立1
(1.扬州大学水利与建筑工程学院，江苏扬州225009；2.扬州大学工学院，江苏扬州225009)

　　摘　要：针对变幅较大的泵站扬程，设计了双速双高效点的轴流泵水力模型，通过模型泵装置试验获得了优良的能量特性和气蚀特性，保证水泵在高、低两种设计扬程下均能高效运行。投产后的现场测试表明，真机运行平稳、噪音低，最高效率达到79%。
　　关键词：泵站；双速电机；轴流泵；模型试验
　　中图分类号：TU991.35
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)12-0050-04

　　广东省东深供水工程是向深圳、香港供水的国家重点工程。东江太园抽水站是东深供水工程的源头抽水站，装机6台2.4 ZLQ20—9.5型全调节轴流泵，采用YL 32/38—3000双绕组双速(213/186)异步电动机驱动，单机功率为2600/1800kW，以适应东江水位变幅较大所引起的扬程变化。当东江水位较高(扬程H＜68.6 kPa)时，泵转速为186 r/min；水位较低(H≥68.6 kPa)时，泵转速为213 r/min，以保持流量Q在20.5m³/s左右，水泵机组运行时数为8000 h/a左右。为提高机组装置效率、降低振动和噪声，进行了精心的水力计算和模型试验研究，得到优秀的模型装置性能和水力模型性能，完全满足设计要求。真机转轮叶片应用数控技术加工，安装投产后运行良好，经严格、全面的现场测试，表明水泵扬程、流量达到设计要求，最高装置效率(含电机)达79%～80%，机组运行平稳、振动小、噪音低、安全可靠。

1　模型装置

　　太园抽水站水泵模型装置试验在扬州大学水泵通用试验台上进行。该试验台如图1所示为一立式封闭循环系统。
1.1　转轮
　　模型转轮为扬州大学研制的ZM7.8—360型转轮，比转速ns=700，气蚀比转速C=1112，其水力模型(转轮+导叶)的试验量测性能见图1。
1.2进、出水流道

　

　　进水流道为肘形渐缩流道(从弯道起断面由矩形向圆形过渡)；出水流道为断面渐扩的虹吸流
道；在驼峰顶部之前断面由圆形过渡到矩形。
1.3双速驱动(双工况设计)
　　太园抽水站的实际运行扬程变幅较大，为保证较高的运行效率，采用两种转速即双速设计，分别为：213 r/min和186 r/min，它们的最高效率点分别对应于78.4 kPa和58.8 kPa的装置扬程，最高装置扬程可达107.8 kPa。模型转速为1 364 r/min。

2　试验设备

　　主要设备有：进水箱，压力水箱，汽水分离筒，文丘里流量计，辅助加压装置，调节闸阀，抽真空装置、管路，计算机数据采集处理系统，控制台等。
　　该试验装置效率综合误差为±0.57%，精度高于国家标准(GB 3216—89)的指标。流量测量：采用双向文丘里流量计，流量计压差由日本引进的UNE—11型差压变送器测量。差压变送器输出的电压信号由电压表采样，经标准接口接入计算机数据采集与处理系统。流量计性能稳定、重复性好。
　　扬程测量：扬程由指定泵装置进出口断面的压差决定，进口断面选取在进水箱的出口附近，出口断面选取在压力水箱入口附近，两断面的压差由另一差压变送器测量，经电压表采样，通过标准接口接入微机数据采集与处理系统。
　　轴功率测量：轴功率指作用在水泵轴上的功率，采用ZJ—500型转矩转速传感器测量，同时传送转矩信号和转速信号，经TS—800B型二次仪表处理后接入计算机数据采集与处理系统。轴功率N与转速n、转矩M的关系为：N=M·n。
　　真空度测量：真空度用精度等级为0.2级的精密真空表测定。

3　试验

3.1模型装置相似问题
　　通常采用的相似准则是针对水泵的转轮而言的，在国际上称为“Pump Bowl”，水泵的相似律也是如此。泵转轮内的流动是处于惯性系之中，惯性力占主导地位，原型与模型相似的条件是各自的惯性力成比例，即无因次相似准则数Sh数相等，通常用其变形nD=常数来表述，又谓之“等扬程准则”。
　　对于泵装置来说，泵转轮内的流动和转轮外管路中的流动是性质不同的两种流动，即管道内为有压流动，要使得泵模型中这两种流动均为相似是很困难的。在江都抽水站水泵模型装置试验研究中，通过对泵段和管路的特性分别进行分析，结果发现管路特性在大部分的流量范围，管路损失扬程与流量的二次方成比例，仅在小流量区有较明显偏差。
　　另外，从单纯的管路损失来分析，管路损失hl∝V2/2g，即hl∝V2，则hl∝Ω2。因此，从扬程-流量特性看，泵段与泵装置二者的特性是协调一致的，具备迭加条件。试验研究的是整个装置特性这一最终结果，而非具体的流动形态，故其试验结果能够反映出原型装置的特性，这也为以往大量的泵装置模型试验的结果所证实。
3.2试验转速
　　理论上受试泵的转速应当满足nD=常数的准则，照此计算，对应原型两种转速，模型额定转速的高速应为n=1 562 r/min，低速应为n=1 364 r/min。根据国家标准GB 3216—89的规定，水泵试验转速允许相差±20%，实际试验转速为1 300 r/min左右，符合规范要求。在转速降低后测得的扬程、效率与流量均具有良好的相似性，按相似律换算至额定转速有足够的准确度。而在试验转速下测得的必需气蚀余量(NPSH)按照NPSHr1/NPSHr2=(n1/n2)2的关系换算则是偏于安全的，即换算所得NPSHr比实际值要大。
3.3　压力量测断面
　　水泵装置模型如图2所示。

　　装置进口量测断面取在进水箱1-1断面，装置出口量测断面设在压力水箱2-2断面。这两个断面的水流相对较稳定，它们之间的总水头差就是模型装置扬程，差压变送器两个测管接头位于同一高程时，装置扬程按下式计算：

　　　　Hsy=(P₂／ρg-P₁／ρg+z₂-z₁)+(v₂²／2g-v₁²／2g)　　　(1)

　　式中　P1、P2 ——分别为进、出口断面压力
　　　　　z1、z2——分别为进、出口断面位置水头
　　　　　v1、v2——分别为进、出口断面流速
　　　　　　　ρ——水体密度
　　v1、v2之和的数值很小，故v₁²/2g和v₂²/2g更小，其差值可忽略不计。
3.4气蚀试验
　　气蚀试验时，在保持流量不变情况下，在进水箱内抽气降压形成低于大气压的真空，逐步降低泵吸入口的压力，直至气蚀发生和发展，按下式计算有效气蚀余量NPSHa：

　　NPSHa=Pa／ρg-｜hv｜+h_淹-Pv／ρg　　　　　　　　　　　(2)

　　式中　Pa——大气压力水头，kPa
　　　　　Pv——试验水温下水的饱和蒸汽压力水头，kPa
　　　　　hv——进水箱水面上的真空度，kPa
　　　　　h淹——水泵叶轮中心线进水位下淹没深度，m
　　根据验收规范要求，在效率下降1.0%时式(2)所得的数值就是必需气蚀余量(NPSHr)。

4　模型试验结果

　　模型试验分别测试5个水泵叶片角的能量性能和气蚀性能。表1为模型装置高效点的性能参数，模型装置的通用及气蚀性能曲线见图3。

表1　模型装置高效点性能参数 转速(r/min) 叶片角(°) 流量Q(m³/s) 扬程H(kPa) 功率N(kW) 效率η(%) 必需气蚀余量NPSHr(m) 备注 1562 +4 0.438 83.33 48.73 74.68 10.5 换算值 +2 0.408 83.64 45.38 75.24 9.3 0 0.389 77.75 40.04 75.24 7.5 -2 0.365 76.20 36.63 75.72 6.8 -4 0.343 73.67 33.56 74.99 6.4 　 +4 0.383 63.54 32.47 74.68 8.0 实测值 　 +2 0.357 63.79 30.22 75.24 7.1 　 0 0.340 59.29 26.66 75.42 5.7 　 -2 0.319 58.10 24.39 75.72 5.2 　 -4 0.300 53.16 22.34 74.99 4.9

　　因为低转速与高转速相差很小，可以认为相似点装置效率不变，故采用按比例律换算高转速的性能。

　　理论证明如下：
　　若H₁、H₂分别为两种不同转速的泵装置需要扬程(即泵扬程)，H₀₁和H₀₂分别为装置扬程，h_l1和h_l2为装置的管路损失，则 H1=H₀₁+h_l1，因h_l1=SQ₂¹(S为管路损失系数)，故：

　　　　H₁=H₀₁+SQ₂¹　　　　　　　　　　　(3)
　　同理：H₂=H0₂+h_l2=H₀₂+SQ₂²　　　　　　(4)
　　根据水泵的相似律有(以λ为比尺)：
　　　　　H₁／H₂=(n₁／n₂)²=λ_n²；Q₁／Q₂=λn　　 (5)
　　　　　H₁=H₂·λn²
　　　　　Q₁=Q₂·λn
　　由式(3)和式(5)得：

　　　　H₀₁=H₁-SQ₁²=H₂·λ_n²-S(Q₂λ_n)²=(H₂-SQ²)λn²　　(6)
　　由式(4)得：
　　H₀₂₌H₂-SQ₂2　　　　　　　　(7)
　　将式(7)代入式(6)得：
　　　　H₀₁=H₀₂λ_n²　　　　　　(8)
　　即：H₀₁／H₀₂=(n₁／n₂)²
　　式(8)表明装置扬程也遵从比例律的关系，条件是管路损失需遵从hl=SQ²的关系，且S与流量变化无关。事实上由于低扬程泵装置的管路损失主要为局部损失，这些局部损失随流量变化的加大局部流动形态不可避免地会产生差异，相应的损失系数也将产生差异，S值不可能为常量，只是在这种差异较小时S的变化值很小。
　　由此可知，对泵装置来说其扬程流量性能换算仍然遵从水泵相似律。显然，因为泵轴功率Pa=ρgQH，故轴功率比尺λpa=λH·λQ=λ2nλn=λ3n也符合水泵比例律的关系。
　　事实上不仅如此，假如泵装置进、出水管路(甚至开敞进、出水池)内流动处于阻力平方区，即水力损失与流速的平方成正比，那么同样可以证明泵装置的扬程流量关系仍然遵从水泵相似律。

5　现场试验结果

　　该机组在太园抽水站建成后于1998年9月投入商业运行。为了测定该站各水泵机组在运行状况下的真实性能，检验设计、设备制造和安装水平及机组性能保证，同时为抽水站的运行管理自动化，优化调度及经济运行创造良好条件，对该站机组效率、起动过程等进行了测试。测试从1999年6月—8月历时1个多月，取得了大量数据。
　　单泵流量测试方法为盐水浓度法。现场测试严格按照《泵站现场测试规程》(SD 140—85)及相关规范要求进行。取得了我国大型泵站最为完整的现场实测资料。表2为部分测试结果。

表2　　6#机组现场测试结果 工况号 转速(r/min) 叶片角(°) 装置扬程H(kPa) 流量Q(m3/s) 电机输入功率N(kW) 装置效率(含电机)η(%) 6-1 185.7 0 64.12 19.00 1539.4 79.21 6-2 185.7 0 65.86 18.92 1572.7 79.30 6-3 185.7 0 68.41 18.41 1601.5 78.73 6-4 185.7 0 70.93 18.06 1632.5 78.55 6-5 185.7 0 73.39 17.47 1665.1 77.08 6-6 185.7 0 77.55 16.82 1719.6 75.92 6-10 213.4 0 56.25 24.47 1934.4 71.23 6-11 213.4 0 61.14 23.95 1997.3 73.39 6-12 213.4 0 64.53 23.37 2044.6 73.83 6-13 213.4 0 64.12 23.27 2088.0 74.88 6-14 213.4 0 70.32 23.06 2135.5 76.00 注：现场实测时进水位较高，78.4 kPa左右的高扬程未能测得，故在高速(n=213 r/min)时运行未测得其最高效率工况。与模型换算所得的原型性能比较，实测结果与换算结果基本一致。

　　从现场测试结果可见，包括电动机在内的机组装置效率达到了79%，如不包括电动机，则可得到泵装置效率为86%，远超过《泵站技术规范》及《泵站技术改造通则》的要求。在国内同类泵装置中达到最高水平。

6　结论

　　①采用双速电机驱动的泵装置能够较好地适应泵装置扬程(泵站扬程)变幅较大的工况，保证水泵及其装置在高效区内运行。
　　②通过优化选型、精心设计和加工，轴流泵及其装置的真机性能可以大幅度提高，具有巨大的经济效益。
　　③水泵的相似律对水泵装置同样是适用的，理论和实测都已经证明，利用水泵相似律对原型与模型水泵装置进行能量换算具有足够的准确度，可满足生产要求。

参考文献：

　　［1］骆马金A B.离心泵与轴流泵［M］.北京：机械工业出版社，1978.

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　　收稿日期：2001-06-22