滁河四级站混流泵装置模型试验研究
2017-03-22晏清洪
方 进,晏清洪
(1.安徽省驷马山引江工程管理处,安徽 和县 238251;2.中国水利水电科学研究院 水利研究所,北京 100044)
泵装置模型试验是检验和优化泵装置水力性能的重要手段[1]。近年来,国内学者对不同类型的轴流泵装置开展了大量模型试验研究[1-11]。混流泵性能介于离心泵和轴流泵之间,具有流量、扬程变化范围大,高效区宽,无明显不稳定运行区等优点,在大型调水工程中的应用日益广泛[12]。目前,关于混流泵装置模型试验研究成果的报道较少[13-15]。本文对滁河四级站的混流泵装置开展模型试验研究。
1 工程概况
滁河四级站属于驷马山灌渠的最后一级提水泵站,其设计净扬程、最低净扬程和最高净扬程分别为16.4、14.9和17.9 m,设计装机为8台套(7用1备),设计抽水流量为71.4 m3/s。泵站的水泵采用立式半调节混流泵,叶轮直径为1.856 m,配套电动机为立式同步电机,单机功率2 800 kW,额定转速250 r/min。
滁河四级站的进水流道为肘形进水流道,而出水流道采用弯直管式的钢制管道,管道爬坡延伸至出水池,出水流道长约40 m。经过优化比选,泵站采用南水北调工程天津同台试验比选中的优秀水泵模型----混流泵模型TJ11-HL-08。泵站系统的纵剖面结构详见图1。
2 泵装置模型试验
在保证泵站控制性结构尺寸不变的基础上,利用CFD对泵站进出水流道进行优化计算,确定流道的型线尺寸,并与TJ11-HL-08水泵模型组成高效泵装置,开展泵装置模型的能量特性、空化特性、飞逸特性和压力脉动特性等试验。
图1 滁河四级站纵剖面结构布置图
2.1 高精度闭式试验台介绍
模型试验在江苏大学国家水泵工程中心高精度多功能水泵闭式试验台进行。试验台的各种量测仪器设备的随机不确定度控制在±0.1%以内,效率综合不确定度优于0.32%。为保障试验泵在做空化时循环泵不发生空化现象,试验台采用立式结构。试验台的水循环系统结构布置见图2。
图2 试验台水循环系统结构布置图
2.2 泵装置模型试验方案
依据《水泵模型及装置验收试验规程》SL140-2006,泵装置模型的试验转速nm按照原型与模型的nD值相等的条件确定。原型泵叶轮直径Dp为1.856 m,额定转速np为250 r/min,模型泵叶轮直径Dm为0.32 m,计算得到模型泵装置的试验转速nm为1 450 r/min。
根据相似原理对水泵叶轮、导叶以及进、出水流道进行了全模拟,所有过流部件保证几何相似,尺寸由同一模型比计算确定。模型泵叶轮导叶通过数控加工,模型流道通过电脑放样钢板焊接,流道内部表面加涂层,既满足几何相似又满足糙率相似得要求。换算得到的模型泵装置方案见图3。
图3 模型泵装置原方案
由图3可知,按原型结构尺寸换算后的模型泵装置出水管道较长,且向上坡度较大,导致无法直接接入出水罐。若附加接管及弯头,则导致模型泵装置的出水流道与原型不完全相似,对试验结果会产生较大的误差。而且由于模型试验系统为闭式系统,重力的作用可忽略不计。因此,笔者对试验方案做了如下改进:将坡度向上的出水管道部分绕流道的对称轴O-O旋转180°,使流道坡度向下。这样导致了流道的出口过低,仍然无法接入出水罐中。于是,把流道出口的弯头前移,再把倾斜直管段的一部分移至弯头后面,变成水平直管段,并保持流道的总长度不变,详见图4。因为出水流道为等径管,能够保持流速不变,所以弯头在管道中的前后位置不影响其管道总体水力损失的大小,保证了出水流道的模型与原型保持水力损失相似。模型泵装置系统试验现场照片见图5。
图4 模型泵装置试验改进方案
图5 试验现场
2.3 模型泵装置能量特性试验
利用改进的模型试验系统,测试了模型泵装置5个不同的叶片角度(+4°、+2°、0°、-2°、-4°)的能量特性,试验结果如图6所示。试验中对各种流量下模型泵装置的进水流道流态进行了观测,未见发生有害的旋涡和涡带 。
图6 能量特性曲线
2.4 模型泵装置空化特性试验
泵装置空化余量实际是带进水流道条件的泵的空化余量。空化试验的基准面应取在最易发生空化部位的水平面,对于立式混流泵,应以过模型泵转轮叶片进口外缘的水平面为基准计算模型泵装置的许用空化余量[NPSH]。首先保证在不产生空化的情况下测定第一个试验点,然后保证流量不变和试验转速恒定,对封闭循环系统抽真空,并逐渐加大真空度,对每一个流量工况点应逐渐降低试验循环水体系统的空化余量(NPSH)。取水泵装置效率下降1%时的空化余量作为临界值,以NPSHc表示。在空化试验曲线即将发生断裂的区域应有较密集的试验点。
分别对5个叶片角度进行了空化试验,每个叶片角测试了5个工况点,0°叶片角空化试验数据如表1所示。原型泵装置的综合特性曲线如图7所示。
表1 水泵模型装置空化特性试验数据(0°)
图7 原型泵装置综合特性曲线
根据模型试验结果和原型泵装置综合特性曲线可知,在叶片安放角0°时,设计净扬程为16.4 m工况下,单台机组流量为12.3 m3/s,最高装置效率可达83.0%。泵装置性能参数不仅满足设计要求,而且性能优异。
由表1空化特性试验数据可知,泵装置在最优工况点附近空化余量最小,偏离最优工况点,在高扬程和低扬程工况下运行空化余量均较高,偏流最优工况点越远,空化余量增加得越多。由于在最高净扬程时叶轮的淹没深度最小,可用此工况来校核叶轮的淹没深度。在最高净扬程时,叶轮最小淹没深度为4 m,0°叶片安放角度下的临界空化余量为9.9 m,因此叶轮中心的最小淹没深度完全满足泵装置的空化性能要求。
2.5 模型泵装置飞逸特性试验
飞逸试验时利用循环辅助泵反向供水,使水泵在水轮机工况下反转,在轴扭矩为0时,测量不同水头下飞逸转速值,并计算出平均单位飞逸转速。
单位飞逸转速的计算公式如下:
(1)
式中:N0为单位飞逸转速,r/min;nf为试验的飞逸转速,r/min;D为叶轮名义直径,m;H为模型试验水头,m。
试验测试了0°叶片角条件下的飞逸转速,平均单位飞逸转速为176.5 r/min,详见表2。
表2 0°飞逸转速试验数据表
飞逸转速与水头、叶片安放角度有关,根据试验结果,计算得到叶片角0°工况下的原型泵飞逸转速。
叶片角0°工况下,原型泵装置随扬程的飞逸转速变化曲线如图8所示。
图8 飞逸特性曲线
2.6 模型泵装置压力脉动试验
依据《水力机械振动和脉动现场测试规程》GB/T 17189-2007,试验采用高频压力传感器对泵进出口处以及叶轮出口导叶进口处的压力脉动情况进行了测量。测量采样频率1 500 Hz,记录时间15 s,压力脉动试验测点布置见图9。
在0°叶片角,对模型泵装置的叶轮进口、叶轮出口和导叶出口压力脉动进行了测定,图10~图12所示为3个不同工况点下的压力脉动曲线。
图9 压力脉动测点布置图
图10 叶轮进口压力脉动
图11 叶轮出口压力脉动
图12 导叶出口压力脉动
对水压脉动试验结果采用97%置信度双幅值进行统计,最大脉动幅值在2.4 m以内,主要出现在叶轮出口位置。因此总体看,该泵的内部流动引起的压力脉动对泵性能的影响较小,不会引起明显的振动和噪声。振动的主频主要为水泵的叶频、轴频及其倍频。
3 结 语
针对滁河四级站混流泵装置形式,在保证原型泵装置和模型泵装置出水流道水力损失相似的条件下,优化设计了一种新型模型泵装置试验形式,在试验台成功布置出水流道较长、坡度较大的混流模型泵装置,保证了试验能够准确顺利开展,可供类似泵站模型试验研究参考和借鉴。
由滁河四级站的泵装置模型试验结果可知,泵站进出水流道型线设计效果良好,水泵模型选型准确,泵装置总体性能优良,可在不同特征工况下安全、稳定运行,能够满足滁河四级站的设计和运行要求。
混流泵性能介于离心泵和轴流泵之间,具有流量、扬程变化范围大,高效区宽,无明显不稳定运行区等优点,在大型调水工程中的应用日益广泛。滁河四级站的建设方案和性能参数可供同类型混流泵站借鉴和采用。
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