混流泵汽蚀性能改进及试验研究
方进+徐景东
摘 要：滁河四级站是驷马山灌区的最后一级提水泵站，为研究滁河四级站混流泵装置模型的飞逸特性，在江苏大学多功能水泵装置模型试验台上进行了泵装置模型的飞逸特性试验。针对该泵站出水管道较长、坡度较大的特点，设计了一种试验方案，既保证了模型流道与原型流道的水力损失相似，又使模型泵装置在试验台能够完整布置。结果表明，对同一泵装置，不同叶片安放角时，单位飞逸转速均不同；相同叶片安放角时，单位飞逸转速随水头增大呈下降趋势。该泵站模型泵装置的试验方法和试验结果可为类似的大型立式泵站模型试验研究提供重要的参考价值。
关键词：泵站；混流泵装置；模型试验；飞逸特性
中图分类号：TV22 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0099-02
1 概述
滁河四级站是驷马山灌渠的最后一级提水泵站，规划向安徽省定远县江巷水库输水，设计净扬程16.4m，最低净扬程14.9m，最高净扬程17.9m。设计灌溉面积134.7万亩，其中江淮分水岭以北池河流域灌溉面积为121万亩，四级站设计装机8台套（7用1备），设计抽水流量71.4m3/s，其中水泵为立式半调节混流泵，叶轮直径为1.856m，配套电动机为立式同步电机，单机功率2800kW，额定转速250r/min。
滁河四级站的进水流道采用设计方法较成熟的肘形进水流道，而出水流道为弯直管式出水方案，钢制管道，管道爬坡一直延伸至出水池，出水流道长约40m。经过优化比选，最终泵站采用混流泵模型TJ11-HL-08，为南水北调工程天津同台试验比选中的优秀水泵模型。泵站系统纵剖面结构布置图如图1所示。
为便于了解滁河四级站混流泵装置的飞逸特性，本文针对其泵装置模型开展飞逸特性研究。
2 试验装置和试验方法
在保证泵站控制性结构尺寸不变的基础上，对进出水流道进行CFD优化计算，确定流道的型线尺寸，并与TJ11-HL-08水泵模型组成高效泵装置，开展泵装置模型的能量特性、空化特性、飞逸特性和压力脉动特性等试验，验证泵装置的整体性能是否满足设计要求。
2.1 试验台
在江苏大学国家水泵工程中心高精度多功能水泵闭式试验台上进行了模型泵装置试验研究。试验台各量测仪器设备均通过省级计量检定，其随机不确定度控制在±0.1%以内，效率综合不确定度优于0.32%，经江苏省科技厅鉴定，综合技术指标居国内领先水平。机械工业排灌产品质量监督检测中心（镇江）、江苏省质量技术监督泵类产品检测站等检测机构设在本单位，具有公正向社会提供泵类产品检测数据的能力和资质。本试验台采用立式结构，作用是试验泵在做空化时而循环泵不至于发生空化现象。试验台水循环系统结构布置如图2所示。试验台能够进行各类大中型泵站装置模型试验，可安装立轴、横轴、斜轴及贯流等各型水泵模型装置。
2.2 试验方案
根据《水泵模型验收试验规程》SL140-2006，泵装置模型试验转速按照原型与模型的nD值相等的条件确定。由原型泵叶轮直径Dp=1.856m，额定转速为np=250r/min，模型泵叶轮直径Dm=0.32m，则可计算得出模型泵装置试验转速nm=1450r/min。
按相似原理全模拟水泵叶轮、导叶、以及进、出水流道，全部过流部件几何相似，尺寸按同一模型比计算确定。模型泵叶轮导叶采用数控加工，模型流道采用电脑放样钢板焊接，流道内部表面加涂层，不仅满足几何相似还同时满足糙率相似要求。换算后的模型泵装置原方案如图3所示。
由图3可知，按原型结构尺寸换算后的模型泵装置出水管道较长，且向上坡度较大，导致无法直接接入出水罐。若附加接管及弯头，则导致模型泵装置的出水流道与原型不完全相似，对试验结果会产生较大的误差。
由于模型试验系统为闭式系统，重力的作用可忽略不计。因此，采用试验方案如下：将坡度向上的出水管道部分绕流道的对称轴O-O旋转180°，使流道坡度向下。但这样又会使流道的出口过低，仍然无法接入出水罐中。于是，再把流道出口的弯头前移，把倾斜直管段的一部分移至弯头后面，变成水平直管段，并保持流道的总长度不变，如图4所示。因为出水流道为等径管，能保持流速不变，所以弯头在管道中的前后位置不影响其管道总体水力损失的大小，这样可使出水流道的模型与原型保持水力损失相似。模型泵装置系统试验现场照片见图5。
3 试验结果与分析
飞逸试验时采用循环辅助泵反向供水，使水泵在水轮机工况下反转，测量在不同水头下轴扭矩为0时飞逸转速值，并计算出平均单位飞逸转速。
單位飞逸转速可由叶轮直径、试验水头和飞逸转速算出，其计算公式：
式中，D为叶轮名义直径（m）；H为模型试验水头（m）；nf为试验的飞逸转速（r/min）；N0为单位飞逸转速（r/min）。
对0°叶片角进行了飞逸转速试验，试验结果详见表1。
飞逸转速与叶片安放角度、水头有关，根据试验结果，计算叶片角0°工况下的原型泵飞逸转速。
原型泵飞逸转速可按nf=N0/D计算，N0=176.5r/min，则
Hsy=17.9m（最大）时，nf=402.4r/min，为水泵额定转速的1.6倍。
Hsy=16.4m（设计）时，nf=385.2r/min，为水泵额定转速的1.5倍。
原型泵装置叶片角0°情况下随扬程的飞逸转速变化曲线如图6所示。
4 结束语
针对滁河四级站典型泵装置形式，基于使原、模型出水流道水力损失相似的条件下，创新设计了一种模型泵装置试验形式，使出水流道较长、坡度较大的模型泵装置能够在试验台成功布置，保证了飞逸特性试验能够准确顺利开展。
由滁河四级站的泵装置模型试验结果可知，对同一泵装置，不同叶片安放角时，单位飞逸转速均不同；相同叶片安放角时，单位飞逸转速随水头增大呈下降趋势。该泵站模型泵装置的试验方法和试验结果可为类似的大型立式泵站模型试验研究提供重要的参考价值。
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