新桃花港江边枢纽工程双向立式泵装置模型试验分析

刘晓成,蔡一平,孙圣杰;袁 尧,周广新,杨 帆

(1.江阴市防汛抗旱服务中心,江苏 江阴 214400;2. 江苏省水利科学研究院,南京210017;3.扬州大学 水利科学与工程学院,江苏 扬州 225009;4.江苏航天水力设备有限公司,江苏 高邮 225600)

0 引 言

双向立式泵装置具有抽排、抽引、自排、自引等多重功能,且装置结构简单,施工及检修方便,被广泛应用于我国沿江滨湖地区。在实际泵站运行工程中,常有泵站机组出现振动、噪声大、水泵空化严重等不良现象,对泵站的高效安全稳定运行造成了极大影响。为此,许多学者针对该类型泵装置的结构优化、水力性能及消涡措施等开展了相关研究工作。张后文等[1]、赵振江等[2]采用数值模拟技术,对双向立式泵装置的流道结构进行了优化。王铁力等[3]、金海银等[4]等采用物理模型试验,分别对澡港河泵站、新沟边枢纽泵站泵装置的能量性能、汽蚀性能和飞逸特性进行了分析,为两座泵站的高效安全稳定运行提供了数据支撑。单陆丹等[5]、杨帆等[6-7]采用数值模拟技术,分析了双向立式泵装置的水力性能。

目前,针对泵装置的研究方法主要采用数值模拟,辅以物理模型试验,但以实际泵站的泵装置为研究对象时,大多采用物理模型试验的方法[8-12]。为了更加全面系统地了解该泵站的装置性能,根据《泵站设计标准》(GB 50265-2022)10.2.4节中双层流道双向泵站必要时应进行装置模型试验的要求,采用物理模型试验方法,对新桃花港江边枢纽泵站泵装置的运行性能进行测试,以期全面了解新桃花港江边枢纽工程泵站的运行性能,为同类型泵站的设计及运行管理提供参考数据。

1 工程概况

新桃花港江边枢纽工程位于江阴市璜土镇桃花港与长江连通处,工程主要功能为扩大区域洪水北排长江的能力,提高武澄锡虞地区防洪除涝能力、增强区域引江能力和水资源调控能力,增强区域河网水动力,改善区域水环境。该工程采用泵闸合建的方式,泵站为排涝与引水双重功能泵站,共3台立式轴流泵机组,单机设计流量为16m3/s,配套高压立式同步电动机,额定功率90kW,全站设计流量均为48m3/s,总装机容量2 700kW。

为满足该泵站双向抽水的功能需要,泵站采用箱涵式双向立式泵装置结构形式,流道为箱涵式双向结构。箱涵式双向进水流道长度11.7D,净宽2.66D,净高1.25D;箱涵式双向出水流道的长度6.64D,净宽2.66D,净高1.25D。泵站特征扬程见表1;泵房剖面图见图1。

图1 泵房剖面图

表1 泵站特征扬程

表1中,净扬程是指仅考虑泵站上下游水位差,设计扬程应考虑拦污栅及上下游闸门门槽的水力损失,约0.3m。泵站运行扬程较低,正反向设计扬程相差较大,扬程变幅较大。

2 试验内容与方法

新桃花港江边枢纽工程双向立式轴流泵装置的物理试验,在江苏省水利动力工程重点实验室的高精度水力机械试验台上进行。该试验台参数在文献[12]中有表述,泵装置模型试验的叶轮名义直径300 mm,转速1 164 r/min,叶轮的叶片数为3,导叶体为扩散导叶,导叶片数为5,原模型的泵装置几何比尺8.533。

新桃花港双向立式泵装置物理模型见图2,箱涵式进出水流道各部位几何尺寸的最大允许误差为5%。模型试验内容包括:5个叶片安放角时泵装置的能量性能;各叶片安放角时5个特征扬程工况的泵装置空化性能试验和各叶片安放角时泵装置飞逸性能试验。

图2 新桃花港双向立式轴流泵装置物理模型

在物理模型试验过程中,测试设备均经过国家认可的计量标定部门检定,标定时间均在有效期内。流量计的系统不确定度为±0.2%,净扬程测量的系统不确定度为±0.1%,转速转矩传感器的转矩测量的系统不确定度为±0.15%,转速测量的系统不确定度为±0.05%,则该试验台泵装置能量性能效率测试的系统不确定度为±0.274%。选取在扬程1.603m时采集泵装置的能量性能参数并计算效率的随机不确定度为±0.11%,参照文献[8]的计算方法,新桃花港江边枢纽泵站的泵装置效率测试的总不确定度为±0.296%,满足《水泵模型及装置模型验收试验》(SL 140-2006)的要求。

3 结果与分析

在5个叶片安放角时,双向立式轴流泵装置的最优工况性能参数见表2。在叶片安放角0°时,泵装置的效率最高为70.01%;在叶片安放角+2°、-2°和-4°时,泵装置的最高效率均超过69%;在叶片安放角+4°时,泵装置的最高效率为67.71%。在排涝设计扬程2.83m时,叶片安放角+2°下泵装置的流量为224.4 L/s,泵装置效率为67.5%,对应原型泵装置的流量为16.34m3/s;在引水设计扬程1.34m时,叶片安放角-4°下泵装置的流量为215.8L/s,泵装置效率为66.5%,对应原型泵装置的流量为16.84m3/s。在排涝和引水设计扬程时,泵装置的流量均满足设计流量16m3/s的要求,同时效率满足《泵站设计标准》(GB 50265-2022)10.1.11节中泵装置效率不宜低于60%的要求。

表2 泵装置能量性能试验最优工况参数

[NPSH]c不同流量工况时,泵装置的临界空化余量[NPSH]c变化规律见图3。在叶片安放角为0° ～ +4°范围内,临界空化余量随着流量的增大而减小;在相同流量时,临界空化余量随着叶片安放角的增大而增大。在叶片安放角为负角度时,临界空化余量随着流量的增大呈先减小后增大的变化趋势。在排涝设计扬程2.83m时,叶片安放角+2°下水泵的临界空化余量为6.2m;在引水设计扬程1.34m时,叶片安放角-4°下泵装置的临界空化余量为3.5m。在泵装置空化性能模型试验数据的基础上,依据水泵的最小淹没深度计算式,校核水泵的最小淹没水深是否满足水泵的空化性能要求。水泵的最小淹没深度计算式如下:

图3 不同流量时泵装置的临界空化余量曲线图

(1)

式中:[NPSH]为水泵的允许空化余量;Pc为进水流道的吸入水面的绝对压力;Pv为水体的汽化压力;ρ为水体的密度;g为重力加速度。

根据图3可知,泵装置在最大扬程时临界空化余量为6.5m,取允许空化余量为临界空化余量的1.6倍,允许空化余量[NPSH]为10.4m,则hs=10.4-10.24+0.44=0.6m。新桃花港泵站水泵的叶轮中心安装高度为-1.4m,最低进水水位为1.59m,水泵的最小淹没深度为2.99m,满足水泵的空化性能要求。

不同叶片安放角时,该泵装置的水泵单位飞逸转速见图4(a)。随着叶片安放角的逐渐增大,单位飞逸转速逐渐减小。在排涝最大净扬程3.25m和引水最大净扬程2.81m时,原型泵的飞逸转速及其与额定转速的比值见图4(b)。叶片安放角+2°时,最大净扬程3.25m下原型泵最大飞逸转速是额定转速的1.44倍;在叶片安放角-4°时,最大净扬程2.81m下原型泵最大飞逸转速是额定转速的1.54倍。

图4 单位飞逸转速及比值

4 结 论

1)在叶片安放角为0°时,新桃花港江边枢纽工程泵站的装置效率最高为70.01%。在排涝设计扬程2.83m时,叶片安放角+2°下原型泵装置的流量为224.4 L/s,效率为67.5%;在引水设计扬程1.34m时,叶片安放角-4°下原型泵装置的流量为16.84m3/s,泵效率为66.5%。表明在排涝和引水设计扬程时,泵装置的流量均满足设计流量要求。

2)在叶片安放角为0° ～ +4°范围内,临界空化余量随着流量的增大而减小;在相同流量时,临界空化余量随着叶片安放角的增大而增大。在叶片安放角为负角度时,临界空化余量随着流量的增大呈先减小后增大的变化趋势。新桃花港泵站水泵叶轮中心的最小淹没深度满足水泵的空化性能要求。

3)叶片安放角为+2°时,最大净扬程3.25m下原型泵最大飞逸转速是额定转速的1.44倍;在叶片安放角-4°时,最大净扬程2.81m下原型泵最大飞逸转速是额定转速的1.54倍。建议按额定转速的1.54倍校核机组结构强度。