可调导叶对双向潜水贯流泵装置性能影响的试验分析

刘金生，丁 平，，杨 澎，吕玉婷，杨 帆*

（1.扬州市水利工程建设中心，江苏 扬州 225000；2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

双向潜水贯流泵装置具有效率高、水泵机组结构简单、布置紧凑及安装维修方便等优点，被广泛应用于具有双向抽水功能需求的城市泵站工程中。导叶体是双向贯流泵装置中用以回收叶轮出口水流环量、提高泵装置水力效率的主要过流结构。针对潜水泵装置水力效率提高的问题，国内外学者已开展了大量的研究工作并取得了不少的研究成果。研究主要集中于潜水泵装置的结构及流道几何尺寸的比选及数值优化［1-4］、叶轮和导叶体几何参数的优化［5-7］等方面，研究方法主要采用数值模拟和物理模型试验。采用可调导叶提高泵及泵装置水力效率的研究工作较少，但也有学者取得了一些研究成果［8-13］，如：钱忠东等［8-9］采用物理模型试验和数值模拟方法分析了不同导叶安放角对轴流泵运行工况调节的影响规律，调节导叶安放角能够提高动能回收的比例，从而提高轴流泵的扬程和效率。杨帆等［11］采用数值模拟技术分析了不同安放角的可调进口导叶对轴流泵水力性能的影响规律，获得了进口可调导叶对轴流泵水力性能调节的综合特性曲线。Kim Youn Sung等［12］采用数值模拟方法定性定量分析了进口导叶片的安放角对潜水轴流泵内流场及水力性能参数的影响。在分析总结已有文献研究成果的基础上，本文基于扬州闸泵站双向潜水贯流泵装置的结构特点，提出了采用双侧可调导叶的技术方案，采用物理模型试验方法探析双可调导叶对双向潜水贯流泵装置水力性能的影响规律，旨在为扬州闸泵站双向潜水贯流泵装置的高效安全稳定运行提供技术支撑。

1 工程概况及设计参数

扬州闸泵站承担扬州市城区涝水及周边区域汇水排放、有效控制古运河水位、提高城市防洪能力，并保证古运河和仪扬河干流生态基流的任务。该泵站安装有2台2400GZBWBS型双向潜水贯流泵装置机组，原型水泵叶轮直径2 400 mm，配套电机为YQGN990-10-1000/400（抽排/抽引）kW/10kV带行星齿轮双速潜水干式电机，抽排转速158 r/min，抽引转速127 r/min。双向潜水贯流泵装置单线图如图1所示。引水设计净扬程0.65 m，引水最高净扬程0.80 m，引水平均净扬程0.33 m，排涝设计净扬程2.44 m，排涝最高净扬程3.41 m，排涝平均净扬程1.35 m，拦污栅及进出口门槽损失按0.4 m设计，排涝设计流量为16.57 m3/s，引水设计流量为15.17 m3/s。

图1 双向潜水贯流泵装置单线图

双向潜水贯流泵装置的进出水侧流道长度均为5.104D，流道的进口高度均为1.72D、宽度为2.21D，灯泡体段长1.888D，灯泡体支撑件为5片，支撑件长度0.449D，其中D为叶轮的名义直径。叶轮两侧均采用了可调节导叶体，叶轮的两侧分别为常规导叶体和扩散导叶体，扩散导叶体的单边扩散角为13°，扩散导叶体与灯泡体相连，根据文献［11］中的研究成果，采用对称平板翼型的直可调导叶片，旋转调节机构位于翼型的几何形心。双向泵叶轮采用扬州大学江苏省水利动力工程重点实验室研发的SZM35，叶轮的叶片数为4，可调导叶体的叶片数均为5。根据水泵相似律换算，引水设计扬程时泵装置设计流量为237.03 L/s，排涝设计扬程时泵装置设计流量为258.91 L/s。

2 泵装置模型试验

2.1 泵装置物理模型及试验内容

双向潜水贯流泵装置的模型泵叶轮名义直径为300 mm，导叶体和叶轮的定位表面的轴向跳动为0.10 mm，轮毂的外表面的径向跳动为0.08 mm，叶顶间隙控制在0.15 mm以内，双向潜水贯流泵装置的物理模型如图2所示。依据nD值相等原则（n为叶轮的转速），双向潜水贯流泵装置引水工况时模型泵叶轮转速为1 016 r/min，排涝工况时模型泵叶轮转速为1 264 r/min。开展了灯泡体前后置对双向潜水贯流泵装置能量性能的影响分析、不同可调导叶的调节角对泵装置能量性能的影响分析以及在固定可调导叶的调节角下不同叶片安放角时泵装置的空化性能和飞逸特性试验。

图2 双向潜水贯流泵装置的物理模型

2.2 双向潜水贯流泵装置的能量性能

定义灯泡体位于外河侧时，引水工况时泵装置的灯泡体前置，排涝工况时泵装置的灯泡体后置；灯泡体位于内河侧时，引水工况时泵装置的灯泡体后置，排涝工况时泵装置的灯泡体前置。为便于说明，定义QZ为灯泡体前置，HZ为灯泡体后置，泵装置能量性能试验参照文献［14］的规定要求，灯泡体位于外河侧时潜水贯流泵装置的能量性能曲线如图3所示，灯泡体位于内河侧时潜水贯流泵装置的能量性能曲线如图4所示。在灯泡体位于外河侧、叶片安放角0°且可调导叶片调节角0°条件下，引水设计扬程时泵装置的流量为264.37 L/s，效率为54.34%；排涝设计扬程时泵装置的流量为275.4 L/s，效率为58.26%。在灯泡体位于外河侧、叶片安放角-2°条件且可调导叶片调节角0°下，引水设计扬程时泵装置的流量为245.13 L/s，效率为57.23%；排涝设计扬程时泵装置的流量为257.36 L/s，效率为60.02%。在灯泡体位于内河侧、叶片安放角0°且可调导叶片调节角0°条件下，引水设计扬程时泵装置的流量为257.16 L/s，效率为56.25%；排涝设计扬程时泵装置的流量为289.63 L/s，效率为59.29%。在灯泡体位于内河侧、叶片安放角-2°且可调导叶片调节角0°条件下，引水设计扬程时泵装置的流量为247.27 L/s，效率为59.12%；排涝设计扬程时泵装置的流量为265.19 L/s，效率为60.03%。无论灯泡体在外河侧还是内河侧，在叶片安放角-2°和0°时双向潜水贯流泵装置的流量均满足引水设计工况和排涝设计工况的流量要求，叶片安放角-2°时泵装置效率高于叶片安放角0°泵装置效率，但效率均低于扬州闸泵站双向潜水贯流泵装置的设计效率要求，建议叶片安放角选择在-2°，排涝工况采用灯泡体后置方案、调节可调扩散导叶的导叶片角度，引水工况采用灯泡体前置方案、调节可调直导叶的导叶片角度。

图3 双向潜水贯流泵装置的能量性能曲线（灯泡体位于外河侧）

图4 双向潜水贯流泵装置的能量性能曲线（灯泡体位于内河侧）

针对引水设计扬程1.05 m和排涝设计扬程2.84 m，在叶片安放角-2°时开展了可调导叶片不同调节角时泵装置的能量性能试验，试验结果如图5所示。在引水工况设计扬程1.05 m时，在直可调导叶的调节角12°时灯泡体前置的泵装置效率为64.1%，流量为250.46 L/s，为设计引水流量的1.056倍；在直可调导叶的调节角16°和20°时灯泡体前置的泵装置效率分别为62.86%、62.01%，流量分别为250.02 L/s、249.86 L/s，均约是设计引水流量的1.054倍。依据相同扬程时流量大效率高的原则，引水设计扬程工况时选择灯泡体前置、直可调导叶的叶片安放角12°方案，相比直可调导叶0°时泵装置效率提高了6.87%，原型泵装置机组流量为16.02 m3/s。在排涝工况设计扬程2.84 m时，在扩散可调导叶的调节角20°时灯泡体后置的泵装置效率为66.2%，流量为267.03 L/s，是排涝设计流量的1.031倍；在扩散可调导叶的调节角16°时灯泡体后置的泵装置效率为66.01%，流量为265.93 L/s，是排涝设计流量的1.027倍。依据相同扬程时，流量大效率高的原则，排涝设计扬程工况时选择灯泡体后置、扩散可调导叶的叶片调节角20°方案，相比扩散可调导叶0°时泵装置效率提高了6.18%，原型泵装置机组流量为17.08 m3/s，满足泵装置排涝设计流量要求。相比可调导叶的调节角0°时，可调导叶的调节角分别为12°和20°时泵装置效率平均提高了约6.23%。

图5 设计扬程工况时泵装置的性能曲线（叶片安放角-2°）

2.3 双向潜水泵装置的空化性能

双向潜水贯流泵装置的空化性能试验采用定流量的能量法［14］，取泵装置模型效率较其能量性能点下降1%的有效空化余量作为必需汽蚀余量（以叶轮中心为基准）。可调导叶的叶片调节角12°时QZ潜水贯流泵装置空化曲线如图6（a）所示，相同叶片安放角时，随着流量的增大叶轮的必需汽蚀余量呈先减小后增大的变化趋势，在排涝工况最高扬程3.81 m、叶片安放角-2°时，叶轮的必需汽蚀余量为6.9 m；排涝工况设计扬程2.84 m时，叶轮的必需汽蚀余量为5.13 m。可调导叶的叶片调节角20°时HZ潜水贯流泵装置的泵装置空化曲线如图6（b）所示，在相同叶片安放角时，随流量的增大，叶轮的必需汽蚀余量呈逐渐减小的趋势，在叶片安放角-2°、引水工况最高扬程1.2 m时，叶轮的必需汽蚀余量为5.8 m；引水工况设计扬程1.05 m时，叶轮的必需汽蚀余量为5.91 m。潜水贯流泵装置的叶轮安装高程均满足要求。

图6 不同叶片安放角时泵装置的空化性能曲线

2.4 双向潜水泵装置的飞逸特性

泵装置的飞逸特性试验通过对试验台流动系统的管路切换，调节辅助泵使泵装置反向运行，扭矩仪不受力，测试不同反向水头时泵装置模型的叶轮转速。直可调导叶的叶片调节角12°时QZ潜水贯流泵装置的飞逸特性曲线如图7（a）所示，扩散可调导叶的叶片调节角20°时HZ潜水贯流泵装置的飞逸特性曲线如图7（b）所示。不同叶片安放角时随着反向水头的增大，叶轮的飞逸转速逐渐增大；相同反向水头时，随着叶片安放角的减小，叶轮的飞逸转速逐渐增大。在叶片安放角-2°时，排涝工况最大净扬程3.41 m时，原型泵最大飞逸转速为381.42 r/min，是电机额定转速的2.41倍。引水工况最大净扬程0.8 m时，原型泵最大飞逸转速为181.05 r/min，是电机额定转速的1.43倍。在校核电机和水泵强度时建议采用2.5倍额定转速，确保电机和水泵能在排涝工况381.42 r/min时运转2 min以上。

图7 不同叶片安放角时泵装置的飞逸特性曲线

3 结论

（1）通过物理模型试验对比分析了灯泡体位置对双向运行时潜水贯流泵装置能量性能的影响，扬州闸泵站双向潜水贯流泵装置优选了排涝工况灯泡体后置的技术方案，叶片安放角建议选择在-2°。

（2）在叶片安放角-2°时，直可调导叶的调节角12°下灯泡体前置的泵装置效率为64.1%，流量为250.46 L/s，为设计引水流量的1.056倍；在排涝工况设计扬程2.84 m时，扩散可调导叶的调节角20°下灯泡体后置的泵装置效率为66.2%，流量为267.03 L/s，是排涝设计流量的1.031倍。可调导叶的调节角12°和20°时泵装置效率相比可调导叶的调节角0°时泵装置效率平均提高了约6.23%。

（3）在叶片安放角-2°时，排涝工况最高扬程3.81 m下叶轮的必需汽蚀余量为6.9 m，引水工况最高扬程1.2 m下叶轮的必需汽蚀余量为5.8 m。在叶片安放角-2°时，排涝工况最大净扬程3.41 m下原型泵最大飞逸转速为381.42 r/min，是电机额定转速的2.41倍，引水工况最大净扬程0.8 m下原型泵最大飞逸转速为181.05 r/min，是电机额定转速的1.43倍。