新桃花港江边枢纽工程双向立式泵装置模型试验分析.pdf

第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2023-02-28基金项目 江苏省高校自然科学研究重大项目(20KJA570001);江苏省水利科学研究院自主科研项目(2021)作者简介 刘晓成(1979-),男,江苏江阴人,高级工程师,主要从事泵站工程管理工作;蔡一平(1968-),男,浙江温岭人,高级工程师,主要从事水利工程质量监理与检测工作;孙圣杰(2000-),男,江苏扬州人,硕士研究生,主要从事泵站工程方面的研究工作;袁 尧(1985-),男,江苏泰州人,正高级工程师,工学博士,主要从事水利工程质量检测工作;周广新(1971-),男,江苏高邮人,高级工程师,主要从事水泵的设计及制造工作.通信作者 杨 帆(1985-),男,江苏宿迁人,教授,工学博士,主要从事泵站工程方面的研究工作.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.014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1,蔡一平2,孙圣杰3;袁 尧2,周广新4,杨 帆3(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)摘 要为确保新桃花港江边枢纽工程泵站的高效安全稳定运行,全面掌握该泵站装置的运行性能,采用物理模型试验方法,对不同叶片安放角时泵装置的能量性能、空化性能及飞逸特性进行测试与分析。结果表明,在叶片安放角 0时,泵装置的效率最高为 70.01%;在排涝设计扬程 2.83m 时,叶片安放角+2下的原型泵装置的流量为 16.34m3/s,效率为 67.5%;在引水设计扬程 1.34m 时,叶片安放角-4下的泵装置流量为 215.8L/s,原型泵装置的流量为16.84m3/s,效率为 66.5%,流量均满足设计流量 16m3/s 的要求。水泵的空化性能满足最小淹没水深的要求。在叶片安放角-4时,最大净扬程 2.81m 下的原型泵最大飞逸转速是额定转速的 1.54 倍,建议按此飞逸转速校核机组结构强度。关键词泵装置;能量性能;空化性能;模型试验;新桃花港泵站中图分类号 TV675 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)09-0067-05Model Test Analysis of Bidirectional Vertical Pump Devicein New Taohuagang Riverside Hub ProjectLIU Xiao-cheng1,CAI Yi-ping2,SUN Sheng-jie3,YUAN Yao2,ZHOU Guang-xin4,YANG Fan3(1.Jiangyin Flood Control and Drought Relief Service Center,Jiangyin 214400,Jiangsu,China;2.Jiangsu Institute of Water Resources Research,Nanjing 210017,China;3.College of Hydraulic Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225009,Jiangsu,China;4.Jiangsu Aero-space Hydraulic Equipments Co.Ltd.,Gaoyou 225600,Jiangsu,China)Abstract:In order to ensure the efficient,safe and stable operation of the pumping station of the New Taohuagang riverside hub project and fully grasp the operation performance of the pump device,the physical model test was used to test and analyze the energy performance,cavitation performance and runaway characteristics of the pump device at different blade angles.The results 76第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023show that the highest efficiency of the pump device is 70.01%when the blade angle is 0;when the design head is 2.83m under drainage working condition,the flow rate of the prototype pump device is 16.34 m3/s and the efficiency is 67.5%when the blade angle is+2;when the design head is 1.34m under the condition of water diversion,the flow rate of the pump device is 215.8 L/s,the flow rate of the prototype pump device is 16.84 m3/s,and the efficiency is 66.5%when the blade placement angle is-4.The flow rate meets the requirements of the design flow rate of 16 m3/s.The cavitation characteristics of the pump meets the requirement of minimum submergence depth.The maximum runaway speed of the prototype pump under the maximum net head of 2.81m is 1.54 times of the rated speed when the blade angle is-4.It is recommended to check the structural strength of the unit according to this runaway speed.Key words:pump device;energy performance;cavitation characteristics;model test;New Taohuagang pumping station0 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。表 1 泵站特征扬程工 况特征值/m 排涝设计净扬程2.53最大净扬程3.25最小净扬程0.00 引水设计净扬程1.04最大净扬程2.81最小净扬程0.00 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。86刘晓成,等:新桃花港江边枢纽工程双向立式泵装置模型试验分析第 9 期图 1 泵房剖面图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。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。图 2 新桃花港双向立式轴流泵装置物理模型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叶片安放角度/()最优工况性能参数流量/Ls-1扬程/m效率/%+4269.42.38467.71+2246.182.42669.180236.372.25870.01-2227.612.10269.68-4215.731.96969.8996第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023 NPSHc 不同流量工况时,泵装置的临界空化余量NPSHc 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:hs=NPSH-pcg+pvg(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;为水体的密度;g 为重力加速度。图 3 不同流量时泵装置的临界空化余量曲线图 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07刘晓成,等:新桃花港江边枢纽工程双向立式泵装置模型试验分析第 9 期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。参考文献1 张后文,李彦军,朱泉荣,等.大型双向流道泵装置优化与试验研究J.水泵技术,2021(2):24-28.2 赵振江,石磊,蒋红樱,等.箱涵式双层流道后壁结构优化分析J.中国农村水利水电,2021(6):102-113.3 王铁力,孙云儒,吕玉婷,等.澡港河泵站扩容工程双向立式泵装置模型试验分析J.江苏水利,2022(4):29-33.4 金海银,张一祁,袁尧,等.箱涵式双向立式泵装置性能试验与流场分析J.灌溉排水学报,2021,40(6):94-99.5 单陆丹,郭瑞,胡文竹,等.箱涵式双向立式轴流泵装置结构选型及内流场分析J.中国水运,2021,21(1):33-35.6 杨帆,刘超,汤方平.基于 CFX 的双向立式轴流泵装置水力性能分析J.应用基础与工程科学学报,2012,20(3):403-412.7 杨帆,刘超,汤方平,等.箱涵式进水流道的立式轴流泵装置水动力特性分析J.农业工程学报,2014,30(4):62-69.8 吉庆伟,李进东,吕玉婷,等.泗阳二站轴流泵装置模型流道优化及模型试验分析J.灌溉排水学报,2022,41(4):127-134.9 杨建峰,王铁力,张一祁,等.通吕运河水利枢纽工程贯流泵装置模型试验分析J.中国农村水利水电,2020(12):167-171.10 杨平辉,李彦军.大跨度虹吸出水流道混流泵站泵装置模型试验研究J.水泵技术,2020(5):43-48.11 方进,宴清洪.滁河四级站混流泵装置模型试验研究J.中国农村水利水电,2017(1):213-217,222.12 孙丹丹,陈世杰,王斌,等.睢宁县陵城泵站轴流泵装置模型试验J.中国农村水利水电,2018(2):126-130.(上接第 54 页)部门依法自行确定。精准补贴标准根据定额内完全成本与运行维护成本的差额确定,确保总体上不增加农户用水定额内用水负担,保障农民合理用水权益。参考文献1 姜文来,冯欣,刘洋,等.合理农业水价形成机制构建研究J.中国农业资源与区划,2019,40(10):1-4.2 孙天合,严婷婷,罗琳.农业水价综合改革现状及其展望J.中国农村水利水电,2017(12):136-139,144.3 王兴,肖雪,史尚,等.江西省农业水价综合改革实践与探索J.人民长江,2020,51(3):103-106,118.4 丁建军,吴学兵,余海鹏.水价综合改革驱动下农业水价形成机制研究:以湖北荆门为例J.中国农村水利水电,2021(3):119-122.5 鲜雯娇,徐中民,邓晓红.灌区农业完全成本水价研究:以张掖市甘州区灌区为例J.冰川冻土,2014,36(2):462-468.6 汪恕诚.资源水利:人与自然和谐相处M.北京:中国水利水电出版社,2003.7 陈丹,陈菁,陈祥,等.基于支付能力和支付意愿的农民灌溉水价承受能力研究J.水利学报,2009,40(12):1524-1530.8 王西琴,张馨月,周嫚,等.基于门限效应的灌溉水价与用水量关系:以河北省地下水灌区为例J.资源科学,2021,43(12):2538-2545.9 王哲,王双银,黄毓林,等.基于运行成本和水权水量的灌区两部制水价核算J.中国农村水利水电,2022(10):177-181.17