九圩港泵站泵装置模型试验分析
2017-07-20何继业陈世杰许旭东江季忠
何继业 陈世杰 许旭东 江季忠
（江苏省水利工程建设局 南京 210029 扬州大学水利与能源动力工程学院 扬州 225009江苏省水利科学研究院 扬州 225009 南通市九圩港水利工程管理所 南通 226003）
九圩港泵站泵装置模型试验分析
何继业 陈世杰 许旭东 江季忠
（江苏省水利工程建设局 南京 210029 扬州大学水利与能源动力工程学院 扬州 225009江苏省水利科学研究院 扬州 225009 南通市九圩港水利工程管理所 南通 226003）
泵装置物理模型试验是检验和优化泵装置水力性能的重要手段。对九圩港泵站的竖井贯流泵装置整体进行了能量特性、空化特性、飞逸转速特性等物理模型试验，以获取该泵装置的综合性能。试验结果表明该贯流泵装置有着较高的效率，在较大的运行工况范围内叶轮空化性能良好，当扬程高于2.1m时要设防飞逸设施。
九圩港泵站 竖井贯流泵 模型试验 泵装置
1 工程概况
九圩港提水泵站位于长江澄通河段北岸、九圩港闸附近属于长江流域。工程的主要任务是在自流引江不能满足区域用水需要时，利用九圩港泵站抽水，以满足南通市通南地区、沿海滩涂开发区的用水需要，并相机向东台提水灌区供水。物理模型试验方法被广泛应用于大中型水泵水力性能的获取，本文对九圩港泵站的水泵也采用该方法进行研究。
九圩港泵站设计净扬程为1.71m，最低净扬程为0m，最高净扬程为3.43m。根据工程布置与设计，泵站采用竖井双侧进水，平直管出水流道，选用5台叶轮直径为3.25m竖井贯流泵，单机流量，配套电机功率1250kW，电机额定转速为750r/min，齿轮箱传送比1∶7.14。
2 泵装置模型试验
2.1 模型设计
九圩港水泵叶轮直径Dp=3.25m，模型水泵叶轮直径Dm=300mm，则几何比尺λD=DpDm=10.83。按照等扬程准则λNd=1和原模型转速np=105r/min计算，模型转速nm=1137.5r/min。对应原型设计工况流量30m3的模型流量为255.62L/s，设计扬程为1.96m。
2.2 模型试验系统
九圩港模型试验是在河海大学水力机械多功能试验台进行的，该试验台是“211工程”重点建设项目之一。试验台按照《水泵模型及装置模型验收试验规程》（SL140-2006）进行设计与建造，试验综合不确定度≤0.4%。试验台为立式封闭循环系统，总容量为50m3，主要设备由尾水箱、压力水箱、电磁流量计、供水泵（或辅助泵）、电动闸阀、手动蝶阀、Φ500管道等组成。试验台不仅可以做立式、卧式水泵、水轮机模型装置特性试验，而且可以做可逆式水泵、水轮机模型装置特性试验、正反向水泵工况和正反向水轮机工况等多功能的试验研究。试验台主要参数：扬程H=-5～20m；流量 Q=0～1m3/s；扭矩 M=0～200N·m；转速 n=0～2000r/min。
2.3 试验方法
2.3.1 能量试验
流量从大到小依次测试14～24点。采用等扬程法进行模型试验研究，即保持原模型nD值相等。
模型泵装置效率：
式中：Q—模型泵流量，m3/s；
H—模型泵装置扬程，m；
n—模型泵转速，r/min；
N—模型泵输入轴功率，W；
N0—空载功率，W。
2.3.2 汽蚀试验
汽蚀试验采用能量法，通过系统回路内抽真空，逐步减少有效汽蚀余量，根据效率下降1%确定临界汽蚀余量。
有效汽蚀余量由下式计算：
式中：Pa/ρg—大气压强，m；
Pv/ρg—试验水温下水的饱和蒸汽压强，m；
hv—真空表测点的真空度，m；
h—泵叶轮中心直真空表进水口高差，m。
2.3.3 水泵工况飞逸特性试验
当水泵突然断电时，水泵出口水流倒灌进入水轮机工况，水流能量除了消耗于机械损失外，使机组加速达到最大转速称飞逸转速。试验应稳定在某一扬程时测出叶片不同转角下的飞逸转速nfM，并计算单位飞逸转速其他各种扬程的飞逸转速可由下式进行换算：
3 模型试验结果与分析
3.1 能量特性试验
测试九圩港模型泵装置5个不同叶片安放角（±4°、±2°、0°）下的能量特性，各个叶片角下的测量工况点为23个。整理试验结果得模型泵装置综合特性曲线如图1所示，原型泵装置综合特性曲线如图2所示。
由模型试验结果可看出，模型最高装置效率76.85%，对应的叶片安放角为-2°，对应的扬程为2.1m，模型流量为0.225m3/s，对应原型泵流量为26.35m3/s。叶片安放角在-4°、-2°、0°和+2°时，即使水泵在最高扬程下运行时，配套电动机功率也完全满足要求。水泵模型装置在-4°、-2°、0°、+2°和+4°五个安放角下，在设计扬程工况时，效率均不低于74%，在最大、最小扬程工况下能安全、稳定运行。
3.2 汽蚀特性试验
按照空化相似准则确定空化试验转速为1137.5r/min，即空化余量原型与模型相等。试验测试了5个不同叶片安放角（+4°、+2°、0°、-2°、-4°）的模型泵装置空化特性。根据《规程》（SL140-2006）要求，取泵装置效率下降1%作为临界空化余量，空化试验结果如表1所示。
由表1可以看出，水泵转轮模型装置引水工况最大汽蚀余量发生在叶片安放角为+4°时，临界汽蚀余量为8.24m，对应扬程为3.68m。在设计工况点扬程1.96m处，临界汽蚀余量最大为7.0m。
3.3 飞逸特性试验
当水泵电机突然断电时，水倒流经过泵，泵的输出功率为零，叶轮反转进入水轮机工况，这时产生的最大反转转速为飞逸转速。飞逸特性试验时，采用调节辅助泵电机转速使试验泵出口和进口侧形成不同的水位差。
根据相似理论，原、模型泵其单位飞逸转速相等，由此可计算出原型机组在不同扬程下各叶片安放角的飞逸转速。不同水头下的原型水泵飞逸转速计算结果见表2。
从表2可知，叶片安放角为0°时，在扬程为0.9m时，飞逸转速将接近额定转速，在扬程为2.1m时，飞逸转速将接近1.5倍的额定转速。叶片安放角为-4°时，最大扬程3.68m时最大飞逸转速为额定转速的2.07倍。
4 试验误差分析
4.1 系统误差（Es）
系统误差时服从某一确定规律而不具有抵偿性的误差，它主要取决于测量仪表误差。模型试验中效率的系统误差可用下式计算：
式中：Eη，s—模型试验中效率的系统误差，%；
EQ，s—流量测量的系统误差，%；
图1 模型泵装置综合特性曲线图
图2 原型泵装置综合特性曲线图
表1 模型泵装置主要性能参数表
表2 不同水头下原型水泵飞逸转速表（r/min）（原型水泵转速n=105r/min，转轮直径D=3250mm）
表3 9次重复试验数据表
EH，s—扬程测量的系统误差，%；
En，s—转速测量的系统误差，%；
EM，s—扭矩测量的系统误差，%。
根据试验设备可知，试验台的系统误差如下：流量测量的系统误差EQ，s=±0.2%；扬程测量的系统误差EH，s=±0.1%；扭矩和转速测量的系统误差EM，s=±0.2%；则由计算式可求出模型试验中效率测量得系统误差Eη，s=0.30%。
4.2 随机误差（ER）
随机误差是服从统计规律并且具有抵偿性的误差，常用概率统计法处理，误差呈t分布，其标准偏差由下式计算：
式中：Sx—标准偏差；
xi—各次测量值；
x—测量值的算术平均值；
n—测量次数，取9。
在最优效率点附近连续读取9次重复实验数据，见表3。随机误差采用相对误差（ER）表示，其值用下式计算：
式中：ER—相对误差，%；
tn-1—置信系数，一般采用95%的置信概率，可查表求出。
则效率的随机误差为：
式中：Eη，R—模型试验中效率的随机误差，%；
EQ，R—流量测量的随机误差，%；
EH，R—扬程测量的随机误差，%；
En，R—转速测量的随机误差，%；
EM，R—扭矩测量的随机误差，%。
标准偏差和随机误差的计算结果见表3。
4.3 效率总误差（Eη）
试验的效率总误差为：
式中：Eη—模型试验中效率的总误差，%。
由上式求出试验的效率总误差，满足试验规程要求。
5 结论
对九圩港竖井贯流泵装置的模型泵装置实验结果分析，可以得出以下几点结论：
（1）在叶片安放角0°，设计扬程1.96m时，模型流量为0.256m3/s，对应原型流量为30m3/s，模型装置效率为75.80%，满足工程设计要求；最大扬程3.68m时，模型流量为0.136m3/s，对应原型流量为15.9m3/s，模型装置效率为51.32%，能稳定运行。
（2）模型装置最高效率为76.85%，对应的叶片安放角为-2°，对应的扬程为2.10m，模型流量为0.225m3/s，对应原型流量为26.35m3/s。
（3）叶片安放角在-4°、-2°、0°和+2°时，即使水泵在最高扬程下运行，配套电动机功率也满足要求。
（4）水泵转轮模型装置引水工况最大汽蚀余量发生在叶片安放角+4°时，最大扬程3.68m，临界汽蚀余量为8.24m；设计扬程1.96m，临界汽蚀余量为7.0m。
（5）叶片安放角-4°，在扬程为2.1m时，飞逸转速将接近1.5倍的额定转速，当扬程高于2.1m时要设防飞逸设施，最大扬程3.68m时最大飞逸转速为额定转速的2.07倍。
（6）试验的效率总误差Eη=±0.351%，满足试验规程要求■
