15度斜式轴流泵装置水动力特性实验研究

谢丽华，王福军，何成连，苏胜利，张树存，汪宝罗

（1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；2.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083；3.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；4.嘉兴市杭嘉湖南排工程管理局，浙江 嘉兴 314001）

1 研究背景

为满足防洪、排涝和灌溉等要求，从1980年代末期开始，我国陆续在一些设计扬程为2～4 m 的低扬程泵站选用斜式轴流泵，如内蒙红圪卜泵站选用了45°斜式轴流泵、江苏新夏港泵站选用了30°斜式轴流泵，上海太浦河泵站选用了15°斜式轴流泵［1］。低扬程泵站流量大、扬程低，进出水流道水力损失对装置效率影响大，斜式轴流泵进水流道无需立式轴流泵的90°转弯收缩，因此具有较高的水力效率；斜式轴流泵也无需贯流泵那样将电机安装在进出水流道之间，因此具有较好的通风、采光、防潮条件［2］。

相比于大倾角斜式轴流泵，15°斜式轴流泵进水流道的转弯半径更小，泵段水力性能更好，泵房开挖深度更小，可较好地结合贯流泵与立式轴流泵的优点，在低扬程大流量场合展示出了比较明显的优势，因此，除上海太浦河泵站外，湖南黄盖湖泵站、浙江盐官泵站和广东文头岭泵站等一批泵站均选用了15°斜式轴流泵［3］，其中，装机规模最大的泵站是浙江盐官泵站。该泵站设计流量200 m3/s（200×103L/s）、设计净扬程2.43 m，安装了4 台3800ZXQ50-2.8 型15°斜式轴流泵，水泵转速90 r/min，叶轮直径3800 mm，单泵流量50 m3/s（50×103L/s），功率2000 kW［4］。泵站自1998年投入运行以来，展现出了优良水力性能，较好发挥了防洪排涝功能。然而，由于泵轴倾斜，出水流道前端呈S 形弯曲，流道内存在二次流和偏流［5］，导致某些工况下压力脉动大、振动突出等问题。

目前国内外对斜式轴流泵水力性能研究成果主要集中在水力模型试验和内部流场数值计算两个方面［5-7］。通过水力模型试验研究，施卫东［4］、杨帆［5］等均认为斜式轴流泵相比于普通轴流泵进水流道效率较高，而出水流道水流状态较差，需要对出水流道进行水力优化。仇宝云等［8-9］通过数值计算发现，无论是普通立式轴流泵，还是斜式轴流泵，出水流道均存在比较明显的回流，回流导致流道左面两个流量不均。Zhang 等［10］认为，斜式轴流泵内部的空化问题呈现叶轮上、下不均匀现象，需要在叶轮设计和运行中加以控制。现有研究成果为斜式轴流泵的设计与运行提供了参考，但针对特定倾角的斜式轴流泵的定量化研究成果还不多，对斜式轴流泵内部流态及外部瞬态特性的研究还不多见。

为了使盐官泵站更加充分地发挥作用，项目组近期对水泵机组和进出水流道进行了优化。在优化过程中重点以控制二次流、减轻出水流道偏流现象为重点，对进水流道和出水流道型线进行了重新设计，将南水北调同台对比试验得到的优秀水力模型TL04-ZL-20 作为泵段模型，研制了新的15°斜式轴流泵装置，对泵内部流态及水动力特性进行了比较系统的实验研究，获得了不同叶片角度下的能量、空化、压力脉动和飞逸等特性，为同类型泵站的建设和运行提供了依据。

2 泵装置设计及实验系统布置

研究对象为浙江盐官泵站优化设计的15°斜式轴流泵装置模型，该装置模型如图1所示。模型泵型号为TJ04-ZL-20，叶轮直径300 mm，叶片数4，导叶叶片数7，实验转速1250 r/min，换算转速1450 r/min，旋向为逆时针（从泵进口方向看）。进水流道长1414 mm，进口为730 mm×475 mm 矩形断面，出口为直径330 mm 的圆断面。出水流道长由弯管段和平直段组成，长1536 mm，平直段内有隔墩，出水流道进口为直径315 mm 的圆断面，出口为780 mm×345 mm 矩形断面。

图1 15°斜式轴流泵装置（单位：mm）

实验在中水北方公司的水泵试验台上进行，效率综合不确定度为±0.3%。在进水流道左侧和右侧、出水流道左侧和右侧分别设置了观察窗，用于观察流态；在透明的观察窗玻璃上粘贴了红色丝线，用于观察瞬态流动方向及流动诱导的旋涡情况；在叶轮室侧面开设了空化状态观察窗，通过闪频仪观察叶片表面的空化泡分布；在叶轮进口、出口、导叶出口和出水流道出口设置了压力脉动传感器，用于监测压力脉动演变规律。

3 能量特性与空化特性

3.1 能量特性在6 个不同叶片角度（-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°）进行了泵装置能量特性测试，泵装置能量性能曲线见图2所示。实验结果表明，泵装置最高效率在叶片角度为-8°、-6°、-4°、-2°、0°和+2°时分别为75.72%、76.17%、75.97%、75.79%、75.53%和75.14%，泵装置整体最高效率出现在叶片角度-6°，达76.17%，对应流量和装置扬程分别为310.59 L/s和6.356 m。

图2 泵装置特性曲线

根据文献［6］，采用相同泵段模型，在相同试验台上得到的泵段最优工况下能量特性参数如表1所示，泵段最优效率出现在叶片角度+4°，达86.05%，对应流量和泵段扬程分别为392.64 L/s 和7.130 m。对比泵装置和泵段的实验结果，泵装置最优效率比泵段最优效率减小9.88%，且从叶片角度+4°偏向了-6°，对应的最优流量减小了83.05 L/s， 相当于减小20.89%。这一变化说明斜式轴流泵装置对泵段的影响大于常规立式轴流泵［7］，需要在斜式轴流泵站水力设计和运行方面给予更多关注。

3.2 空化特性叶片角度为-8°、-6°、-4°、-2°、0°、+2°时的泵装置临界空化余量曲线如图3所示，这里的临界空化余量是指效率下降1%所对应的装置空化余量。从图3可以看出，随着叶片角度减小，最优空化流量向小流量偏移，最优临界空化余量下降，在-8°时最优临界空化余量为5.32 m。在装置最优工况（对应于叶片角度-6°时的流量310.59 L/s）临界空化余量为5.83 m，是该叶片角度下的最低临界空化余量。这说明，在最高效率工况点，泵装置的空化状态也接近于最优。

实验发现，随着泵进口能量的降低，叶轮叶片表面开始出现可以观察到的空化泡。在所有叶片角度下，当流量低于最优空化流量时，空泡首先出现在叶片背面靠近进口的区域，如图4（a）所示。当装置空化余量低到使泵装置效率下降1%时，即图3中临界空化余量值对应的空化状态，叶片背面的空化区将显著增大，如图4（b）所示。这说明，对于斜式轴流泵而言，采用效率下降1%作为确定临界空化余量的作法，是有待商榷的。Jones［11］也给出了类似结论。

表1 泵段最优工况点参数［6］

图4 叶片角度+2°时的空泡分布

对于较大负叶片角度情况，如-8°时，在小流量工况下的空泡分布特性与较大正叶片角度情况类似，但在大流量工况下，如大于最优空化流量的工况，叶片表面的空泡区域首先出现在叶片工作面靠近进口的区域，如图5（a）所示。当装置空化余量进一步下降后，该区域的空泡区加大，同时在叶片背面靠近叶片中部甚至尾部区域出现空泡区，如图5（b）所示。这说明，叶片角度不同，所出现的空泡位置及区域大小也不同。特别是在较大负叶片角度下，叶片工作面的空泡区增长迅速。这说明图3中叶片角度-8°时临界空化余量曲线在大流量区快速增长的原因是空泡区面积增长较快。这一结果表明，叶轮在较大负叶片角度下工作时，易出现空化等不稳定现象，应尽量避免斜式轴流泵长期在较大负叶片角度下工作。

图5 叶片角度-8°时的空泡分布

在某些特定工况下，特别是不存在叶片表面空化的较高装置空化余量条件下，在轮缘处还可以观察到间隙空化的现象，间隙泄漏涡呈条带状分布，始于叶片进口边，向叶片尾部延展，如图6所示。当装置空化余量减小使叶片进口出现翼型空化时，翼型空化对间隙空化产生扰动作用而使间隙空化减弱甚至消失，而翼型表面的空化区域开始变大。

图6 间隙空化现象

4 瞬态动力特性

4.1 飞逸特性进行了6 个叶片角度下的飞逸转速实验，其单位飞逸转速见表2。可以看出，随着叶片角度的减小，泵装置飞逸转速增大，在叶片角度为-8°时产生最大单位飞逸转速n1R=307.12 r/min。根据单位飞逸转速的计算式，可求得对应的飞逸转速为nR=2507 r/min，达到额定转速1450 r/min 的1.73 倍。将该参数换算到原型泵站后，飞逸转速也是比较大的，远远超过设计规范［12］的允许值，需要在泵站设计时对飞逸转速进行控制。

4.2 压力脉动从泵装置进口到出口共布置了7 个压力脉动测点，其分布如图7所示，各测点位置说明见表3。在叶片角度-2°、流量345 L/s、置信度97%条件下压力脉动峰峰值如图8所示，主要测点压力脉动时域特性和频域特性如图9所示，这里的压力脉动幅值以压力系数Cp形式［13］表示，且定义为：

表2 单位飞逸转速实验结果

式中：p为测点压力，Pa；pinlet为水泵进口平均压力，Pa；Vinlet为水泵进口平均速度，m/s；ρ为水的密度，kg/m3。

图7 泵装置压力脉动测点布置

表3 泵装置压力脉动测点布置

图8 各测点的压力脉动峰峰值

从图8和图9可以看出，压力脉动峰峰值在叶轮进口前相对较小，在叶轮出口（无叶区）、导叶出口、出水弯管和出水流道内都较大，且处于同一水平上。与常规立式轴流泵［14-15］相比，斜式轴流泵压力脉动在叶轮进口与叶轮出口区域的规律基本相同，但在导叶出口、出水弯管和出水流道内并未明显降低，且在出水流道左右两侧出现了高低不同的现象。这是斜式轴流泵压力脉动的特征之一。

分析图9所示压力脉动的频率特性，注意到压力脉动实验为降速实验（1250 r/min）的结果，轴频fR=20.8 Hz，叶频fB=83.2 Hz，可以看出，压力脉动主频在叶轮进口前以轴频fR为主，在叶轮与导叶之间的无叶区以叶频fB为主。在导叶出口处，主频为100 Hz。随着水流向下游流动，压力脉动主频则以低于轴频的低频（0.59fR～0.70fR）为主。这说明，在导叶出口出现了旋转速度比较高的二次流，而这种二次流在进入出水弯管之后被削弱了。

图9 主要测点压力脉动频域特性

4.3 偏流特性在实验中，在出水流道出口的P6 和P7 监测点附近还分别设置了流态观察窗，在透明玻璃上粘贴了红丝线，如图10所示。可以看到，出水流道右侧的丝线向上、向后摆动，左侧的红丝线向下、向前后摆动，这说明出水流道左侧和右侧都存在一定回流。顺流动方向看，左右侧回流均是逆时针的，即与泵轴转动方向相同。从左侧丝线向前摆动、右侧丝线向后摆动趋势分析，左侧断面平均流速应该大于右侧，这说明出水流道内的隔墩两侧流量并不相同，左侧过流量大于右侧，我们称这种现象为“偏流特性”。偏流现象也存在于配置了双孔出水流道的常规立式轴流泵站［8］，偏流比可达1.27，使轴流泵效率降低1.6%左右。根据实验观测，斜式轴流泵的偏流比更大。

图10 出水流道右侧的观察窗

图11 斜式轴流泵出水弯管中的流线偏转现象

采用文献［16］中给出的斜式轴流泵CFD 设置模型，在保证网格独立性的前提下，对斜式轴流泵内部流动进行了分析。研究发现，如果斜式轴流泵的导叶下游配置的不是S 形出水弯管而是平直扩散管，虽然导叶后面存在剩余环量作用，但流线整体上仍然是与泵轴平行的螺旋线，总体上均匀地向着出口流动，而对于配备了S 形出水弯管的斜式轴流泵，水流在出水弯管中经历了S 形的两段流线弯曲过程，在剩余环量和二次弯曲的共同作用下，流线从导叶出口就赂左侧偏转，如图11所示。从图中可以看出，左侧流线的速度明显大于右侧，因此，形成了左侧大于右侧的偏流特性，计算得到的偏流比达到2.3。

5 结论

对15°斜式轴流泵装置的能量特性、空化特性和压力脉动特性等进行了实验研究，取得以下主要结论：（1）与标准泵段相比，斜式轴流泵装置的最优工况点向着负叶片角度和小流量区偏移，对于本文研究对象，泵装置最优工况从叶片角度+4°偏向了-6°，最优流量减小20.89%，最优效率减小9.88%。（2）当装置空化余量低到使泵装置效率下降1%时，叶片背面出现占据近1/3 叶道区域的空化区。对于较大负叶片角度的大流量工况，空泡区首先出现在叶片工作面靠近进口的区域，当装置空化余量进一步下降后，同时在叶片背面靠近叶片中部甚至尾部区域出现空泡区。（3）斜式轴流泵的飞逸转速较常规立式轴流泵为大，在叶片角度为-8°时产生最大飞逸转速，达额定转速的1.73 倍。（4）斜式轴流泵表现出了与常规立式轴流泵不同的压力脉动分布规律。斜式轴流泵压力脉动在导叶出口、出水弯管和出水流道内明显偏高，且在出水流道隔墩两侧出现了高低不同的现象，频率以60%～70%轴频为主。（5）在斜式轴流泵装置的出水流道内，从水泵进口方向看，当叶轮逆时针旋转时，隔墩左侧流量大于右侧。需要在斜式轴流泵的设计和运行方面对此加以控制。