上僚泵站装置模型试验成果分析及改进措施研究

第５期　２００６年１Ｏ月　广东水利水电　ＧＵＡＮＧＤ０ＮＧ　ＷＡＴＥＲ　ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ　ＡＮＤ　ＨＹＤＲ０Ｐ０ＷＥＲ　Ｎｏ．５　０ＣＴ　２００６　上僚泵站装置模型试验成果分析及改进措施研究　杨树雄　，徐守堂　（１．广东省水利厅，广东广州　５１０１５０；　２．佛山市顺德区水利局，广东佛山　５２８０００）　摘要：为满足自流灌溉、自流排水、提灌、提排的要求，在节省工程投资、追求效益的最大化上，采用双向ｘ型进出水流道获得明显的效果，　但也存在流道内流态不佳、易形成水力振动等问题，所以双向ｘ型进出水流道的设计和优化将对工程建设具有重大的意义。该文对双向ｘ　型进出水流道的上僚泵站装置模型试验成果进行了分析，并提出相应的改进措施。　关键词：泵站；轴流泵；模型试验；分析　中图分类号：ＴＶ６７５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００８－０１　１２（２００６）０５－００２４－０３　ｒ１概述　优化进出水流道结构，提出改善进出水流道流态的措施和方法。　２．２测量项目及方法　图３是测试系统图，主要测试参数及测试方法如下：　佛山市顺德区北洛镇上僚泵站，初步设计拟选用１４００ＷＺＬ一　２５型立式轴流泵，该泵叶轮直径为１　４００　ｍｌｎ，转速为３７５　ｒ／ｍｉｎ。在　泵站设计工况下，该水泵工作扬程为４．３５　ｍ，流量为５．６　ｍ　／ｓ。　为满足自流灌溉、自流排水、提灌、提排的要求，上僚泵站拟　采用双向Ｘ型进出水流道。虽然双向Ｘ型进出水流道可以节省　工程投资，但也存在流道内流态不佳，易形成水力振动等问题。　为此建设单位特委托水利部泵站测试中心进行装置模型试验。　由于没有专用的模型泵，本次试验按照比转速基本相近的原　则，选用了浙江萧山涌潮水泵有限公司生产的３５０ＺＬＢ一１００型轴　流泵作为模型泵，并根据泵站双向Ｘ型流道的布置要求对其结构　进行了改进。图１、图２即为改进后的模型泵结构和试验装置。　ｌ０　模型泵：　１１、电动机　分析系统　图３测试系统　２．２．１流量测量　在回水管路平直段上布置电磁流量计测量流量，流量值由　数据采集系统进行采集并显示。　２．２．２压力测量　在进水流道进口断面Ａ—Ａ和出水流道出口断面Ｄ—Ｄ各　布置一台压力传感器、在水泵进口断面Ｂ—Ｂ对称布置４台压力　位：ｍｒｆｌ　传感器、在水泵出口断面Ｃ—Ｃ对称布置２台压力传感器（结构　不能布置过多的取压点）进行压力测量，用以计算相应断面　图１上僚泵站装置模型立面布置　的能量、分析压力分布情况。　调节闸阀　进水池　电磁流摄计　压力　出水池　２．２．３电机输入功率测量　按电机输入功率的测试要求，采用多功能三相电力分析仪　直接测量电机输入功率。　２．２．４转速测量　按转速测试要求，由３４０２型精密数字转速表直接测出水泵　转速。　２．２．５噪音测量　ｌ　垡　丝Ｊ　１　ｇＯ０煎堕壁　４　０７ｌ　Ｉ出　壁　ｌ　Ｉ　２　３００　ｆ　１　５００　１—　２　６００　　ｌ１．　：　　！！　至！！　！　　！．１　单位：ｈｉｍ　图２上僚泵站装置模型平面布置　２试验项目和方法　２．１试验目的　按照水泵噪音测试要求，在距泵体１ｍ处用ＮＤ２型精密声计　仪测量水泵噪音。　２．２．６进出水流道的流态观察　本次试验的目的是通过试验观察分析进出水流道内的流态，　收稿日期：２００６－０８－１０　作者简介：杨树雄（１９６４－），男，大学本科，从事机电排灌研究工作。　・２４・　维普资讯 http://www.cqvip.com

狮　珊瑚咖　Ｏ　５　４　８　９　２００６年１Ｏ月　第５期　杨树雄，等：上僚泵站装置模型试验成果分析及改进措施研究　ＯＣＴ　２００６　Ｎｏ．５　为了观察进出水流道在各种方案及不同工况下的流态，本　次测试分别在进水流道和　水流道的起始端垂直水流方向设置　了示流线栅，示流线栅由上下两根贯穿流道隔墩的栅杆组成，每　根栅杆悬挂四根红色丝线，共１６根，通过示流线能很直观地观察　试验中流道内的流态。示流线的编号和布置如图４所示。　２　３　４　９　ｌ０　ｌ１　ｌ２　Ｉ，　ｆ】　‘】　Ｉ　Ｊ　５　６　７　８　１３　ｌ４　ｌ５　１６　【ｌ　【１　【１）进水流道　（ｂ）出水流道　图４示流线编号及布置示意（均为顺水流视向）　３装置综合特性　３．１模型装置综合特性　表】是试验得到的模型装置综合特性表。由于本次试验的　主要目的是考察水泵与进出水流道的匹配情况，因此，在此不对　装置综合特性进行分析。　表１　模型装置综合特性试验成果（ｎ＝１　４５０　ｒ／ｍｉｎ）　流量　扬程输入功装置扬水泵效电机效流道效装置效　况　／（Ｌ－ｓ一。）Ｈ／ｍ　率／ｋＷ程／ｍ　率／％　率／％　率／％　率／％　Ｉ　２　３　４　５　３．２原型装置综合特性　对模型参数进行换算得出原型泵及装置的性能数据如表２　所示。　表２　原型装置综合特性（ｎ＝３７５　ｒ／ｍｉｎ）　４试验成果及分析　４．１进水流道的流态及分析　通过观察发现，在所有的试验工况下设在进水流道中的８根　示流线均能保持相对稳定，只是在示流线末端有一定间歇性的　波动，波动幅度较小（一般为】～２　ｅｍ）。南此可以推断进水流道　内流态基本平稳，表明进水流道设计是合理的。　４．２出水流道的流态及分析　通过观察发现，受双向ｌ叶Ｉ水流道的影响，水泵｝｛Ｊ口流态比较　复杂。下面针对试验中观察到的问题和现象予以具体分析。　４．２．１水泵出口水流对出水流道流态的影响　本试验所使用的模型泵与普通“ＺＬＢ”型轴流泵相比，少了出　水弯管，由此对装置性能产生了一定的影响。首先，由于没有出水　＿二　９　７　８　４　３　弯管，局部水头损失就会减少，因此对提高泵的效率有利，但是由　∞％＂　此带来的负面影响是水流通过叶轮后，由于泵内流程缩短，大部分　ｍ　Ｂ　●动能还未来得及转化为压能，水流就到达水泵出ｌ仍　５　２　０　８　姗嘲　Ｙｌ并突然扩散，由　此导致了更大的能量损失；其次具有较大的动能水流，直接流入出　水流道。如果不处理好水泵出口与流道的衔接将会使泵内损失增　螂伽研镪姐　大，试验表明衔接不好会使阻力参数Ｓ增大ｌ倍以上；其三，水泵　５　６　７　７　７　７　７　５　５　出ｌＹｌ与流道的衔接不良会使该衔接区产生压力不均匀，导致附近　ｍ∞∞∞加　部分区域｝ｎ现漩涡或回流（见图５）。漩涡与回流是水泵运行中产　８　８　８　８　８　生噪音和振动的主要原因，因此应予以避免。∞　如∞帅　　本次试验观察到在水泵出口未增设倒置喇叭口时，ｌ４　２　３　５　７　６　７　８　Ｏ　５　、ｌ６　流线指向相反，表明有回流存在；加　∞∞增设倒置喇叭口后，１∞　５　、１６　流　线的指向基本一致。　３　４　５　４　∞ｍ　ｍ∞舳　图ｓ水泵出口与出水流道衔接处流态　４，２，２水泵转向对出水流道流态的影响　受水泵旋转的影响，水泵出口一般存在环流，为此常采取在　ｍ水流道中设置隔墩的措施来减轻环流的影响。在试验中观察　到，在采用常规隔墩时，隔墩的迎转向侧和背转向侧压力不均匀，　背侧的流态比较差（如图６所示）。这种现象有两个原因：一是　南于水泵的出口与流道的衔接不好致使上层水流流速过大、而　下层水流处于回流区产生回流；二是水泵转向使隔墩迎转向侧　压力高于背转向侧，产生回流。　４．２．３相应的改进措施　针对上述流态问题，本试验采取了以下两项措施：　①在水泵出ｌＹｌ增设导水帽（如图７所示）。水泵出ｌＹｌ导水帽　可以改变泵出口突然扩散的流态，让水流在水泵出口与出水流　道进ｌＹｌ问形成一个良好的过渡段。　ｌＹｌ导水帽的最佳断面形状　和尺寸由试验得…。　②改设“导流隔墩”（如图６所示）导流隔墩就是将普通隔　墩单一的隔流作用变为导流与隔流的双重用途，主要是为了改　善隔墩背水泵转向侧的流态，减轻或消除隔墩两侧的压力不均、　流量不等的现象。具体的方法就是把隔墩头部０．１　Ｉｎ的部位向　迎水泵转向的方向偏转一定角度。　采取了上述两个措施之后，水泵出ｌＹｌ附近区域的流态得到　了较大改善，示流线的指向基本平行。　・２５・　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年ｌＯ月第５期　广东水利水电　ＯＣＴ２０Ｄ６　Ｎｏ．５　／　／　图６出水流道平面构造及流态　４．３导水帽设置高度的分析　为改善水泵出口及出水流道的流态，在泵出口导叶体后设　置导水帽（如图７所示），导水帽固定在泵轴的轴套上。由于改　善流态的效果取决于导水帽的高度，为此本次试验共进行了７种　不同高度的比对试验。比对试验效果用两种方法进行判别，一种　是观察示流线与出水流道的平行度；另一种是利用出水流道的　水力阻力参数ｓ的变化趋势来分析。　囤７　出水流道立面构造及示流线指向示意　逐步改变导水帽设置高度△Ｈ值（本试验为每次改变２０　ｎｌｎｌ　高度）进行试验，以寻找示流线与出力流道的平行度最佳和出水　流道的水力阻力参数．ｓ最小时相应的ＡＨ值。比对试验表明：　１）当导水帽设置的高度△　太大时，水泵出口水流受制约　就小，水流冲击出水流道顶板后，反折向下，流态很差；此时出水　流道的水力阻力参数ｓ也较大，表明水力损失也较大。　２）当导水帽设置的高度ＡＨ较小时，水泵出口水流所受制　约就增大，水流在受导水帽过度制约后而呈现扩散状，观察发现　此时示流线与出水流道顶板的平行度较差，表明出水流道的流　态不好，试验数据也表明此时出水流道的水力阻力参数．ｓ也较　大。　３）当导水帽设置的高度△　适中时，通过观察示流线可以　发现示流线与出水流道顶板基本平行，说明此时出水流道的流　态较好，试验数据也表明此时的水力阻力参数ｓ较小。数据分析　与观察结果完全吻合，可得到完全一致的结论。　试验表明：出水流道的流态与导水帽设置的高度ＡＨ密切相　关。导水帽设置高度与示流线观察分析结果的表述见表３。　－２６・　表３　出水流道流态观察与分析　上排流线说明随着ＡＨ的减少，水流　△　＝ｚ－。丰ｉ　蓑　：契　：　在导水帽的导流作用下，冲击流道顶　板的力度正在逐步减弱，流线与出水　流道的平行度也逐渐趋向一致；下排　流线说明在水泵出口增设倒置喇叭　低　口后，回流区的状况得到较好的改　。导　ＡＨ＝１９０上排流线：。约为ｌ５观，流线与出水流道的平行度也就逐　Ｔ￣￣　水　：ｏＸＴ　３５渐趋向一致；水力阻力参数逐渐变　帽　小。　设　置　高　△　，。篙　０ｏ　Ｌ　Ｔ致ｌｆ￣翳　蠹毽　趋　度　△　５。　１。０。／ｍｍ　。上下排流线都说明随着△片的减少，　￣Ｈ＝１３０　△　・。　数逐渐变丸　４．４装置模型试验中的噪音及振动　因噪音与振动在原型和模型间不存在相似关系，因此只能　在装置模型试验中作相对比较。试验表明，模型泵在低扬程、大　流量或高扬程、小流量情况下运行时噪音都较大。在设计工况附　近运行时噪音较低。实测的对应于高扬程和低扬程的最高噪音　为９０．５　ｄＢ．对应于设计丁况的噪音为７８—８４　ｄＢ。　试验中未发现因水力引起的剧烈振动，水泵在设计工况下　运行机组的机械性振动均在常规范围内。设置导水帽、导流隔墩　等对改善装置振动有一定效果，但不明显。　４．５装置模型试验中的效率问题　试验发现模型泵的最高效率点偏离相应的原型泵站设计工　况。当装置扬程逐渐降低到２　ｍ以下时，随着水泵流量的增加，　进出水流道水力损失占扬程的比例急剧增加，导致装置效率明　显下降。　从试验中可以观察到，双向进出水流道无论在提水运行还　是在自流运行时，流道内都存在死水区，该区内水流的翻滚程度　随着流量的增大而加剧，装置效率也随着降低。　虽然在低扬程时装置效率很低，但试验结果表明上僚泵站　原型装置的最高效率仍达５７．３％，在设计工况下的装置效率为　５２．６％（Ｈ＝３．９４　ｍ时），对于低扬程泵站以上装置效率是可以　接受的，因此，上僚泵站采用双向进出水流道是合理的。　５结语　本试验较好地模拟了上僚泵站的装置性能，发现了一些原　设计中的不足，并通过试验得出了解决的方法。特别是出水喇叭　口、导水帽、导流隔墩的设置极大改善了泵站出水流道的流态，对　降低泵站运行噪音、减轻机组振动、提高装置效率起到了很大作　用。本试验所发现的一些问题，对今后同类泵站的设计具有较好　的借鉴作用。