九圩港泵站泵装置模型试验分析

GXF360 2017-11-11

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九圩港泵站泵装置模型试验分析

何继业陈世杰许旭东江季忠

（江苏省水利工程建设局南京 210029 扬州大学水利与能源动力工程学院扬州 225009江苏省水利科学研究院扬州 225009 南通市九圩港水利工程管理所南通 226003）

【摘要】泵装置物理模型试验是检验和优化泵装置水力性能的重要手段。对九圩港泵站的竖井贯流泵装置整体进行了能量特性、空化特性、飞逸转速特性等物理模型试验，以获取该泵装置的综合性能。试验结果表明该贯流泵装置有着较高的效率，在较大的运行工况范围内叶轮空化性能良好，当扬程高于2.1m时要设防飞逸设施。

【关键词】九圩港泵站竖井贯流泵模型试验泵装置

1 工程概况

九圩港提水泵站位于长江澄通河段北岸、九圩港闸附近属于长江流域。工程的主要任务是在自流引江不能满足区域用水需要时，利用九圩港泵站抽水，以满足南通市通南地区、沿海滩涂开发区的用水需要，并相机向东台提水灌区供水。物理模型试验方法被广泛应用于大中型水泵水力性能的获取，本文对九圩港泵站的水泵也采用该方法进行研究。

九圩港泵站设计净扬程为1.71m，最低净扬程为0m，最高净扬程为3.43m。根据工程布置与设计，泵站采用竖井双侧进水，平直管出水流道，选用5台叶轮直径为3.25m竖井贯流泵，单机流量，配套电机功率1250kW，电机额定转速为750r/min，齿轮箱传送比1∶7.14。

2 泵装置模型试验

2.1 模型设计

九圩港水泵叶轮直径Dp=3.25m，模型水泵叶轮直径Dm=300mm，则几何比尺λD=DpDm=10.83。按照等扬程准则λNd=1和原模型转速np=105r/min计算，模型转速nm=1137.5r/min。对应原型设计工况流量30m3的模型流量为255.62L/s，设计扬程为1.96m。

2.2 模型试验系统

九圩港模型试验是在河海大学水力机械多功能试验台进行的，该试验台是“211工程”重点建设项目之一。试验台按照《水泵模型及装置模型验收试验规程》（SL140-2006）进行设计与建造，试验综合不确定度≤0.4%。试验台为立式封闭循环系统，总容量为50m3，主要设备由尾水箱、压力水箱、电磁流量计、供水泵（或辅助泵）、电动闸阀、手动蝶阀、Φ500管道等组成。试验台不仅可以做立式、卧式水泵、水轮机模型装置特性试验，而且可以做可逆式水泵、水轮机模型装置特性试验、正反向水泵工况和正反向水轮机工况等多功能的试验研究。试验台主要参数：扬程H=-5～20m；流量 Q=0～1m3/s；扭矩 M=0～200N·m；转速 n=0～2000r/min。

2.3 试验方法

2.3.1 能量试验

流量从大到小依次测试14～24点。采用等扬程法进行模型试验研究，即保持原模型nD值相等。

模型泵装置效率：

式中：Q—模型泵流量，m3/s；

H—模型泵装置扬程，m；

n—模型泵转速，r/min；

N—模型泵输入轴功率，W；

N0—空载功率，W。

2.3.2 汽蚀试验

汽蚀试验采用能量法，通过系统回路内抽真空，逐步减少有效汽蚀余量，根据效率下降1%确定临界汽蚀余量。

有效汽蚀余量由下式计算：

式中：Pa/ρg—大气压强，m；

Pv/ρg—试验水温下水的饱和蒸汽压强，m；

hv—真空表测点的真空度，m；

h—泵叶轮中心直真空表进水口高差，m。

2.3.3 水泵工况飞逸特性试验

当水泵突然断电时，水泵出口水流倒灌进入水轮机工况，水流能量除了消耗于机械损失外，使机组加速达到最大转速称飞逸转速。试验应稳定在某一扬程时测出叶片不同转角下的飞逸转速nfM，并计算单位飞逸转速其他各种扬程的飞逸转速可由下式进行换算：

3 模型试验结果与分析

3.1 能量特性试验

测试九圩港模型泵装置5个不同叶片安放角（±4°、±2°、0°）下的能量特性，各个叶片角下的测量工况点为23个。整理试验结果得模型泵装置综合特性曲线如图1所示，原型泵装置综合特性曲线如图2所示。

由模型试验结果可看出，模型最高装置效率76.85%，对应的叶片安放角为-2°，对应的扬程为2.1m，模型流量为0.225m3/s，对应原型泵流量为26.35m3/s。叶片安放角在-4°、-2°、0°和+2°时，即使水泵在最高扬程下运行时，配套电动机功率也完全满足要求。水泵模型装置在-4°、-2°、0°、+2°和+4°五个安放角下，在设计扬程工况时，效率均不低于74%，在最大、最小扬程工况下能安全、稳定运行。

3.2 汽蚀特性试验

按照空化相似准则确定空化试验转速为1137.5r/min，即空化余量原型与模型相等。试验测试了5个不同叶片安放角（+4°、+2°、0°、-2°、-4°）的模型泵装置空化特性。根据《规程》（SL140-2006）要求，取泵装置效率下降1%作为临界空化余量，空化试验结果如表1所示。

由表1可以看出，水泵转轮模型装置引水工况最大汽蚀余量发生在叶片安放角为+4°时，临界汽蚀余量为8.24m，对应扬程为3.68m。在设计工况点扬程1.96m处，临界汽蚀余量最大为7.0m。

3.3 飞逸特性试验

当水泵电机突然断电时，水倒流经过泵，泵的输出功率为零，叶轮反转进入水轮机工况，这时产生的最大反转转速为飞逸转速。飞逸特性试验时，采用调节辅助泵电机转速使试验泵出口和进口侧形成不同的水位差。

根据相似理论，原、模型泵其单位飞逸转速相等，由此可计算出原型机组在不同扬程下各叶片安放角的飞逸转速。不同水头下的原型水泵飞逸转速计算结果见表2。

从表2可知，叶片安放角为0°时，在扬程为0.9m时，飞逸转速将接近额定转速，在扬程为2.1m时，飞逸转速将接近1.5倍的额定转速。叶片安放角为-4°时，最大扬程3.68m时最大飞逸转速为额定转速的2.07倍。

4 试验误差分析

4.1 系统误差（Es）

系统误差时服从某一确定规律而不具有抵偿性的误差，它主要取决于测量仪表误差。模型试验中效率的系统误差可用下式计算：

式中：Eη，s—模型试验中效率的系统误差，%；

EQ，s—流量测量的系统误差，%；

图1 模型泵装置综合特性曲线图

图2 原型泵装置综合特性曲线图

表1 模型泵装置主要性能参数表

叶片角度设计扬程（1.96m）最高扬程（3.68m）流量（L/s）临界汽蚀余量（m）流量（L/s）临界汽蚀余量（m）+4° 303.8 7.00 196.8 8.24+2° 280.8 6.73 173.2 7.91 0° 256.0 6.50 136.1 7.43-2° 230.5 6.39 110.3 7.25-4° 209.5 6.01 85.20 6.81

表2 不同水头下原型水泵飞逸转速表（r/min）（原型水泵转速n=105r/min，转轮直径D=3250mm）

扬程（m）角度 0.5 1.71 1.3 109.93 115.29 120.42-2° 76.80 142.04 152.07 157.40 171.74 184.97 201.16 208.37+4° 68.17 126.08+2° 71.50 132.23 0° 74.68 138.11 0.9 91.46 95.93 100.19 1.96 134.98 141.57 147.86 2.1 2.5 2.9 3.43 3.68 139.71 152.44 164.18 178.56 184.95 146.53 159.88 172.20 187.27 193.98 153.05 166.99 179.85 195.60 202.60 103.04 123.84-4° 79.94 107.25 128.90 147.84 158.27 163.83 178.75 192.52 209.38 216.87

表3 9次重复试验数据表

测量参数编号扬程H（m）流量Q（L/s）转速n（r/min）1 224.5 2.10 50.55 1137.5 2 224.5 2.10 50.56 1137.4 3 224.5 2.10 50.56 1137.4 4 224.5 2.11 50.56 1137.4 5 224.5 2.11 50.56 1137.5 6 224.4 2.10 50.55 1137.5 7 224.5 2.10 50.55 1137.4 8 224.5 2.10 50.55 1137.4 9 224.5 2.11 50.56 1137.5平均值 224.4889 2.1033 50.5556 1137.4444标准偏差 0.0333 0.005 0.00527 0.0527随机误差 0.00061 0.00155 0.00068 0.0003扭矩（N·m）

EH，s—扬程测量的系统误差，%；

En，s—转速测量的系统误差，%；

EM，s—扭矩测量的系统误差，%。

根据试验设备可知，试验台的系统误差如下：流量测量的系统误差EQ，s=±0.2%；扬程测量的系统误差EH，s=±0.1%；扭矩和转速测量的系统误差EM，s=±0.2%；则由计算式可求出模型试验中效率测量得系统误差Eη，s=0.30%。

4.2 随机误差（ER）

随机误差是服从统计规律并且具有抵偿性的误差，常用概率统计法处理，误差呈t分布，其标准偏差由下式计算：