CFD水泵模型试验在漳湖站工程中的应用

徐卫星

（望江县水利局，安徽 安庆 246200）

1 引言

水泵是泵站工程的重要组成部分，其性能对泵站枢纽工程效益影响较大[1-3]。因此，为了选取适宜的水泵型式，提前进行分析是非常必要的。目前，在水泵性能研究中通常采用数值模拟与物理模型试验方法，两种方法均可准确分析水泵的各项性能，在工程实践中有广泛的使用[4-6]。本文结合漳湖新站枢纽工程实际情况，采用模型试验方法对水泵性能进行分析。

2 工程概况

漳湖新站枢纽工程由引水渠道、进水控制闸、前池及进水池、泵房、压力水箱、出水箱涵、出水控制闸及场区内外交通工程等辅助工程组成。泵站为堤后常规干室型泵站，正向进出水布置。泵房前接前池及进水池，出水管后接压力水箱。机组一字型排列。抽排和自排通道在压力汇水箱末端汇集于一起，并通过出水箱涵与长江连通。前池及进水池为正向进水开敞式布置。

漳湖泵站位于长江下游北岸漳湖圩排水区，排湖工况设计流量为105 m3/s，排圩工况设计流量为91.5 m3/s，共安装6台立式全调节混流泵，总装机容量6×2 300 kW。泵站安装立式全调节混流泵6台，叶轮直径2 200 mm、额定转速为200 r/min。排湖工况设计净扬程5.72 m，排圩工况设计净扬程7.87 m。泵站参数如表1所示。

表1 漳湖泵站参数表

3 模型水泵与泵装置

漳湖泵站为立式混流泵装置，肘型流道进水、平直管出水。模型泵采用TJ11-HL-04水泵水力模型，模型泵叶轮直径D=320 mm，水泵装置模型比尺为1∶6.875。模型叶轮叶片数为3，用铸铜材料数控加工成型。模型导叶叶片数为7，导叶片采用钢板数控加工成型，导叶体外壳采用钢板焊接而成[7]。进出水流道采用钢板焊接制作，模型泵装置如图1所示。

图1 漳湖泵站水泵装置模型

4 泵装置模型试验结果

4.1 能量性能试验

水泵装置模型试验测试了6个叶片安放角度（-8°、-6°、-4°、-2°、0°及+2°）的能量性能。各角度最优工况参数如表2所示。漳湖泵站水泵装置模型综合特性曲线见图2（转速为1 375 r/min，叶轮直径为320 mm）。按特征参数换算公式换算，漳湖泵站原型泵装置综合特性曲线见图3（转速为200 r/min，叶轮直径为2 200 mm）。

图3 漳湖泵站原型水泵装置综合特性曲线

表2 模型水泵装置性能试验最优效率数据表

表3 -8°空化试验采样数据表

试验结果表明：叶片角度在-2.6°，泵装置在设计总扬程6.94 m（含出水箱涵水力损失CFD预测值约为1.22 m），抽水流量为设计流量389 L/s时，水泵模型装置效率为81%，满足技术要求的72%；泵装置在设计总扬程8.84 m（含出水箱涵水力损失CFD预测值约为0.97 m），抽水流量为设计流量339 L/s时，水泵模型装置效率为85.3%，满足技术要求的72%。

4.2 空化试验

空化试验采用定流量的能量法，图4为叶片角度-4°，5个流量工况点下空化图，其中虚线框线内为汽蚀发生时气泡发生情况。

图4 5个流量工况点下空化图（-4°）

叶片安放角-2°时，各扬程工况下临界空化余量均在10.0 m以内；其中11.22 m扬程时临界空化余量为9.2 m，9.97 m扬程时临界空化余量为8.6 m，7.87 m扬程时临界空化余量为6.7 m，5.72 m扬程时临界空化余量为7.2 m，2.8 m扬程时临界空化余量为8.8 m。

4.3 飞逸特性试验

水泵各叶片安放角下的单位飞逸转速如表4和表5。根据试验结果整理可得泵站原型泵飞逸特性曲线，如图5所示。

图5 漳湖泵站原型泵装置飞逸特性曲线

表4 各叶片安放角下的单位飞逸转速数据表

表5 各叶片安放角下原型泵飞逸转速数据表（最大扬程11.22 m时）

根据试验结果可知：水泵叶片的安放角越小，单位飞逸转速越高；当水泵叶片角度在-2°时，原型泵在最高净扬程11.22 m下的最大飞逸转速为电机额定转速的1.79倍。

4.4 水压脉动试验

水压脉动测试采用4个CY301高频动态压力脉动变送器测量,配用RS485-20采集仪数据采集。

压力脉动传感器安装在出水流道工作闸门处（P1）、导叶出口处（P2）、叶轮出口处（P3）及叶轮进口（P4），位置如图6所示。

图6 压力脉动传感器安装位置

分别对水泵模型叶轮叶片6个叶片安放角度（-8°、-6°、-4°、-2°、0°及+2°）能量试验过程中的4个工况点（包括最低扬程，排湖（洪）设计扬程，排圩/排湖+排圩设计扬程及最高扬程）水压脉动进行了测试，为更易观察压力脉动波动情况，在系统补满水时采集零点，并扣除初始水压力，试验实际转速为1 375 r/min。

结果表明，在所测扬程范围内，出水流道工作闸门处（P1）、导叶出口处（P2）、叶轮出口处（P3）及叶轮进口（P4）峰峰值在对应扬程下最大相对幅值为17%、17%、9%、10%，叶轮进出口处脉动幅值随扬程增加而增加，呈周期性波动。叶轮出口处主频相对稳定，为1倍叶频，其余位置主频主要为低频位置，对应振幅较小。总体符合常规混流泵水压脉动规律，无异常现象。

5 结论

（1）能量试验结果表明，叶片角度在-2.6°，泵装置在设计总扬程6.94 m（含出水箱涵水力损失CFD预测值约为1.22 m），抽水流量为设计流量389 L/s时，水泵模型装置效率为81%，满足技术要求的72%；泵装置在设计总扬程8.84 m（含出水箱涵水力损失CFD预测值约为0.97 m），抽水流量为设计流量339 L/s时，水泵模型装置效率为85.3%，满足技术要求的72%。

（2）空化试验结果表明，原型泵装置在叶片安放角-2°时，各扬程工况下临界空化余量均在10.0 m以内；其中11.22 m扬程时临界空化余量为9.2 m，9.97 m扬程时临界空化余量为8.6 m，7.87 m扬程时临界空化余量为6.7 m，5.72 m扬程时临界空化余量为7.2 m，2.8 m扬程时临界空化余量为8.8 m。

（3）叶片安放角越小，单位飞逸转速越高；在所有叶片角度和流量下，进水流道内流态稳定，无明显漩涡产生，水泵运行平稳。