三维扫描在低扬程泵装置中的应用

2021-10-20邓迪强

科学技术创新 2021年28期

关键词：模型试验扬程泵站

王乐王丰邓迪强

（江阴市璜塘水利工程有限公司，江苏江阴 214400）

1 问题

随着大型泵站工程的发展及工程管理质量的提高，越来越多的专家学者发现，水泵机组的运行效率、运行工况在泵站实际运行过程中，与模型试验偏差大。

例如，某大型泵站工程经过严格的模型试验和真机现场测试得到：

（1）真机现场测试最优效率点扬程从模型试验的4m 降至3.5m，降幅达到12.5%；

（2）真机测试的最优效率从78.78%降至76.72%；

（3）真机最优效率点流量从34.45m3/s，降至29.3m3/s，流量偏差达到15%；

（4）真机最优效率桨叶角度从-2°向-5°偏移。

上述是某大型泵站的真机测试结果与模型试验结果的对比。另外，还有一些泵站模型试验结果较为理想，真机测试时却出现机组噪声大、振动加剧、甚至是开机困难等问题。

泵站建成后，现场测试的数据往往会与最初模型试验换算而来的数据有一定的出入，随着大型水利工程的飞速发展，真机与模型性能偏差矛盾已日益突出。究其原因，大致可以归纳为以下几点：

（1）泵站模型由泵装置模型和进、出水压力管组成，其中泵的叶轮、导叶、压水室和进、出水流道组成泵装置模型，通过实际试验数据并通过换算获去该泵站的水力参数。模型与现场情况不完全一致，有一定的误差。

（2）原、模型过流传动材料很难做到表面粗糙度相等和粗糙度结构相似;原、模型过流流态不同导致流速不同，过流的水力摩擦系数也不同; 原、模型泵的容积损失基本不可能完全相似，造成原、模型泵装置也不可能相似。

（3）凡是生产必有偏差，更不用说大型泵站的建设这样一个复杂的系统工程。建设过程中包含设备的制造偏差、土建的施工偏差、设备的安装偏差、土建与设备之间契合的偏差等等，这些都是模型试验时不能设想到的。

试验成果往往很难真实反映实际结果，泵站装置对水力参数实测也相对复杂，对研究原、模型泵站装置过流部分也更加困难;由于现在水泵机械制作的精度越来越高，模型试验的水力参数已经不能准确反映实际。

2 工程应用

本着从发现问题，到分析问题，最后解决问题的研究思路，本项目拟针对定波水利枢纽工程采用数值模拟与试验机械相结合的研究方法，利用三维激光扫描仪对泵装置进行扫描可以得到三维模型，这是泵站建成后原型的实际数据，与设计值对比可以对泵站的施工过程进行分析评价，着重研究模型和原型泵装置尺寸误差引起的性能差别，为提高泵站工程建设水平提供科学依据。该项目的研究在大型泵站工程设计、施工及优化运行具有重要的经济效益和社会价值。

针对定波水力枢纽竖井贯流泵装置进行基于三维激光扫描的泵装置原模型校验及现场测试研究。前期已针对定波双向竖井贯流泵装置进行了装置数值模拟和模型试验研究。定波水利枢纽工程包括节制闸和双向泵站，节制闸总净宽48m;泵站为双向泵站，正向排水、反向引水，设计总排水流量120m3/s。泵站采用4 台竖井贯流泵，单机流量30m3/s，节制闸与泵站采用集中紧凑型的“合建”布置方案。泵站采用直管式出水流道，快速闸门断流，液压启闭机启闭，配4 台10kV 同步电动机，单机功率为1600kW，总装机容量6400kW。定波水利枢纽运行水位和扬程的组合如表1 所示。

表1 泵站运行水位及特征扬程组合

采用高精度数值模拟方法对定波双向竖井贯流泵装置的进出水流道进行优化设计，双向竖井贯流泵装置如图1 所示。通过泵站反向运行对竖井出水流道进行优化设计。以控制尺寸为基础作为初始方案，以此为基准优化了五个方案，从出水流道水力损失的角度进行优化方案的比选，最后得到水力性能优异的进出水流道方案。经过优化后总体性能得到了较大的提升，正向运行计算工况点的最高效率为74.53%，反向运行计算工况点最高效率为60.91%。正向运行时，方案五在最大流量工况1.22Q 下效率提升至60.17%，比方案三的57.44%提升2.73%;反向运行时，在30m3/s 流量工况下效率提升至60.91%，比59.87%提升1.0%。反向运行时，方案三根据适当控制断面面积的变化，在小流量工况下性能发挥比较好，但是方案五对于平均运行扬程在1m 左右的泵站表现更为优异。

图1 本项目的技术路线图

以最终优化得到的方案5 进出水流道方案作为最终设计方案，泵站为双向竖井轴流泵装置，正向进水采用双向竖井流道进水，出水采用圆变方直管出水流道; 反向双向竖井流道出水，圆变方直管进水。双向模型泵采用SZM35 水泵水力模型。轮毂比为0.4，采用4 片叶片，把黄铜材料利用数控加工成型。进出水流道采用钢板焊接加工制作，模型泵叶轮室通过观察窗观测叶片处的水流和汽蚀。对该泵站竖井贯流泵装置进行模型试验测试。

根据《离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范(精密级)》(GB/T 18149-2000)和《水泵模型及装置模型验收试验规程》(SL140-2006)标准，每个叶片安放角必须确保不少于15 点的性能试验点，按流量保持常数确定临界汽蚀余量，确定改变有效NPSH 值至效率下降1%。

能量试验结果表明，泵装置在叶片安放角-4 度下:模型泵装置正向设计扬程为3.05m 时，流量为312.62L/s，泵装置效率达到70.95%，高效区运行范围较宽;对应原型泵装置正向扬程3.05m 时，流量为31.26m3/s，略高于设计流量30m3/s 的运行要求;模型泵最大运行扬程超过4.0m，超过定波水利枢纽双向泵正向最大扬程3.29m 的运行要求。模型泵装置反向设计扬程为1.43m 时，流量为301.64 L/s，泵装置效率达到57.39%，高效区运行范围较宽，对应原型泵装置反向扬程1.43m 时，流量为30.16m3/s，达到泵站运行要求;模型泵最大运行扬程超过4.0m，超过定波水利枢纽双向泵反向最大扬程2.87m 的运行要求。模型泵及原型泵装置性能曲线如图3 所示。

图2 模型试验实物图

图3 泵装置正反向综合特性曲线图

汽蚀试验的结果表明，原型泵装置在叶片安放角-4 度下:正、反向设计扬程附近汽蚀性能达到最优，临界必需汽蚀余量处于8m 以下，满足定波水利枢纽双向泵正、反向临界必需汽蚀余量的运行要求。水泵汽蚀图片如图4 所示。

图4 水泵汽蚀性能实物图

前期的数值模拟和模型试验得到了一系列的有用数据，进一步挖掘数据之间的关联性，为定波枢纽水泵制造安装打下坚实的基础。

3 应用内容

3.1 基于点云数据的原型泵装置3D 模型重构

采用本单位新购买的三维手持式便捷扫描仪分别对定波枢纽工程进、出水流道、叶轮室和导叶体外形轮廓进行三维数据扫描，得到各过流部件的三维点云数据，并与原型泵装置设计图纸进行对比，分析各部件的主要结构尺寸误差和制造精度。着重探讨三维扫描中数据的采集方法，使用三维光学扫描仪测量获得原型泵装置构件的点云数据，研究曲面重构及模型重建的方法，建立构件的模型，利用商业CFD 软件对模型进行模拟计算，得到存在加工误差条件下的泵装置能量特性及其内部流场结构。

3.2 定波枢纽原型泵装置现场测试

针对定波枢纽工程实际运行水位模拟存在加工误差条件下泵装置的能量性能，并在该水位条件下分别对原型泵装置进行流量、扬程及轴功率测试，分析真机运行的动态能量特性，利用数值模拟对能量性能的预测结果来验证其有效性，对模型试验换算的泵装置性能进行误差分析，提出基于尺寸误差的泵装置模型试验换算公式的修正系数。

3.3 基于尺寸偏差的原、模型性能对比分析

针对泵站单机组分别进行准确结构尺寸和误差尺寸的数值模拟计算，通过数值模拟结构和真机测试结果对泵装置原型内流情况和特性曲线进行深入的研究，探索内流规律，将原型和模型的尺寸、数模得到的性能等参数进行对比分析，得到主要结构尺寸误差引起的流量降低、工况偏移等不良结果的影响规律，揭示加工误差与原型泵装置性能曲线之间的规律，为泵站的安全稳定与高效运行提供参考。