Experimental Research on the Hydraulic Performance of the Pump System Model for Zhuji Pumping Station in Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project

Zhong-jian QIN, Lei XU

PDF(2503 KB)
China Rural Water and Hydropower ›› 2022 ›› (1) : 111-117.

Experimental Research on the Hydraulic Performance of the Pump System Model for Zhuji Pumping Station in Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project

Author information +
History +

Abstract

In order to improve hydraulic performance and ensure stable operation of Zhuji Pumping Station, an optimization design of the inlet conduit and outlet conduit is completed based on three-dimensional turbulent flow numerical simulation. The experimental research on the hydrodynamic characteristics of optimized pump system model is carried out on a high-precision hydraulic machinery test bed. The experimental results show that the flow velocity of the inlet and outlet conduit of Zhuji Station changes uniformly and the hydraulic loss of the conduit is small, the highest efficiency of the pump system model is 78.33%, and the hydraulic performance is excellent. Compared with the pump section, the optimal operation point of the pump system model is offset by about 2° to the negative angle and the small flow area. Secondly, when the inlet pressure of the pump system model is equal to the value of critical net positive suction head, the larger zones of cavitation bubbles are observed on the pressure side and suction side of the blades. Thirdly, the shaft frequency and blade passing frequency have greater influence on the pressure pulsation amplitude at the inlet and outlet of impeller, and they have less influence on pressure pulsation amplitude at the outlet of the guide vane. In order to avoid resonances, the natural frequency of the pump structure should avoid the pump shaft frequency, blade passing frequency and its frequency multiplication.

Key words

Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project / vertical axial-flow pump system / model test / hydraulic performance / cavitation performance / pressure pulsation

Cite this article

Download Citations
Zhong-jian QIN , Lei XU. Experimental Research on the Hydraulic Performance of the Pump System Model for Zhuji Pumping Station in Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project. China Rural Water and Hydropower. 2022, 0(1): 111-117

0 引 言

引江济淮工程地跨皖豫两省,涉及江淮两大水系,是国务院要求加快推进建设的172项节水供水重大水利工程之一。引江济淮工程(安徽段)自南向北划分为引江济巢段、江淮沟通段及江水北送段三大段落。江水北送段中承担皖豫城镇供水任务的西淝河列入主体工程,安徽段起点为淮河北岸西淝河站,终点为豫皖交界的练沟河倒虹吸出口,线路总长223.8 km。朱集站是江水北送西淝河输水线路线5级提水泵站中的第4级泵站。朱集站设计扬程3.53 m、最高扬程4.95 m、最低扬程1.93 m,单泵设计流量18.33 m3/s,安装叶轮直径2.35 m、额定转速为166.7 r/min的立式轴流泵。立式轴流泵装置具有运行稳定可靠、安装检修方便、投资节省和制造技术成熟等优点,适用于低扬程、年运行时间较长的泵站,在我国大型泵站中应用广泛1-3
泵站设计规范(GB50265-2010)4中提出:重要的大型泵站宜采用三维流动数值计算分析,并应进行泵装置模型试验验证。流道三维流动优化数值计算分析是提高泵装置水力性能的有效方法5-7,泵装置模型试验是确认泵装置水力性能的重要手段8-10。文献[10-12]根据工程建设要求,对各站泵装置模型进行了能量性能、空化性能和飞逸特性试验;文献[13]对淮安一站立式轴流泵装置模型的能量性能、空化性能、飞逸特性和压力脉动进行了测试,并换算得到了原型泵装置特性;文献[14]针对刘老涧抽水站设计需要,对两副水泵模型的泵装置试验结果进行了比较。已有泵装置模型试验主要是针对各个泵站的具体情况进行了水力特性试验,并将模型试验结果换算至原型,为泵站运行提供了很好的指导作用。但是,已有研究对泵装置试验结果进行进一步分析的较少,对泵装置性能与相应水泵模型性能的比较、不同工况时泵装置发生初始空化与效率下降1%时空化之间的关系等问题还需进一步研究,这些问题对指导类似泵站泵装置水力设计具有重要的意义。
为了使扬程较低的朱集站能更好地发挥在引江济淮工程中的调水作用,检验朱集站基于三维数值模拟的进出水流道优化水力设计研究工作的实际效果,将南水北调同台对比试验得到的优秀水力模型TJ04-ZL-0615与经过优化水力设计的进、出水流道组成泵装置,对泵装置模型的水动力特性进行试验研究,获得了不同叶片角度下的能量、空化、飞逸和压力脉动等水动力特性,并对试验结果进行了进一步地分析,为朱集站的水力设计和建成后的运行管理提供了依据,也为类似立式轴流泵装置优化水力设计研究与稳定运行管理提供了参考。

1 装置模型概况

为保证引江济淮工程朱集泵站安全、稳定和高效率运行,采用三维湍流模拟方法对该站泵装置进、出水流道进行了水力优化设计研究。朱集站流道控制参数如下:肘形进水流道的流道高度为1.83D pD p为水泵叶轮直径,下同)、流道宽度为2.34 D p、流道长度为5.47 D p,直管式出水流道宽度为2.34 D p、流道长度为8.6 D p,进出水流道控制尺寸取值合理16。在此基础上,对进水流道顶板仰角、流道断面由矩形渐变为圆形的圆心轨迹线和流道形线进行了优化调整得到了进水流道优化方案,对出水流道断面由圆形渐变为矩形的圆心轨迹线和流道平面扩散形线进行了优化调整得到了出水流道优化方案,进、出水流道的流场图示于图1。由流场图可以看到,肘形进水流道内水流转向有序、收缩均匀,直管式出水流道内水流转向有序、扩散平缓均匀。经优化得到的朱集泵站肘形进水流道和直管式出水流道设计流量的流道水头损失分别为0.086 m和0.272 m17,流道水头损失小,水力性能优异。
Fig.1 Flow fields of inlet and outlet conduit in pump system of Zhuji Pumping Station

图1 朱集站泵装置进、出水流道流场图

Full size|PPT slide

朱集站装置模型由进水流道、水泵叶轮、导叶和出水流道装配而成,水泵模型采用TJ04-ZL-06轴流泵水力模型,转轮叶片数3,导叶片数6,轮毂比为0.4,模型泵叶轮直径D m=0.3 m,叶片外缘间隙0.15 mm,泵装置模型比例尺为1∶7.833,试验转速为n m=1 305.8 r/min。该站泵装置模型主要尺寸如图2所示。
Fig.2 Dimension of pump system model of Zhuji Pumping Station

图2 朱集站泵装置模型尺寸图

Full size|PPT slide

朱集站泵装置模型试验在江苏大学水泵综合实验室试验台上进行,按文献[18]的要求进行了能量、空化、飞逸和压力脉动等性能试验,模型泵装置试验现场如图3所示。该试验台的效率测试综合不确定度优于±0.3%。泵装置模型的进、出水流道采用钢板焊接制作,模型泵叶轮室设观察窗,以观察叶片处的水流和空蚀现象;在叶轮室进口、叶轮室出口和导叶体出口分别设置了压力脉动传感器,用于测量泵装置压力脉动变化规律;为了满足流道壁面粗糙度相似的要求,钢制流道内壁加涂环氧树脂层。
Fig.3 Testing site of pump system model

图3 模型泵装置试验现场

Full size|PPT slide

2 能量与空化特性

2.1 能量特性

泵装置模型试验共测试了7个叶片安放角度(+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°、-8°)的能量性能,能量性能测试按原模型等扬程原则进行,为保证测试过程稳定及准确,对于马鞍形区采用降速方法测试再换算至额定转速1 305.8 r/min时的数值,泵装置能量特性曲线如图4所示。试验结果表明,泵装置在叶片角度为+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°和-8°时的最高效率分别为77.57%、77.93%、78.19%、78.26%、78.33%、78.29%、和77.83%。泵装置模型整体最高效率出现在叶片角度-4°,达到78.33%,对应的流量和泵装置扬程分别为276.6 L/s和3.91 m。试验结果表明朱集站进出水流道优化水力设计研究工作取得了令人满意的效果。
Fig.4 Comparison of energy performance curve between pump system model and pump model

图4 泵装置模型与水泵模型TJ04-ZL-06能量性能曲线比较

Full size|PPT slide

根据本次模型试验结果和文献[15],通过相似律换算至Dm =0.3 m、nm =1 305.8 r/min时的特性参数,朱集站泵装置模型与水泵模型TJ04-ZL-06能量性能曲线的比较示于图4,朱集站泵装置模型与水泵模型TJ04-ZL-06不同叶片角度最优工况点参数的比较列于表1
Tab.1 Comparison of parameters on optimum operating condition between pump system model and pump model

表1 泵装置模型与水泵模型TJ04-ZL-06最优工况点参数的比较

叶片安放角/(°) 泵装置模型 水泵模型TJ04-ZL-06
流量/(L·s-1 泵装置扬程/m 泵装置效率/% 流量/(L·s-1 水泵扬程/m 水泵效率/%
-6 256.53 3.79 78.29 299.1 3.73 85.10
-4 276.60 3.91 78.33 321.8 3.73 85.27
-2 292.54 4.12 78.26 339.7 3.90 85.46
0 307.86 4.21 78.19 357.5 3.98 85.53
+2 320.01 4.59 77.93 374.8 4.21 85.84
比较结果表明:泵装置模型与水泵模型TJ04-ZL-06能量特性曲线的线形相近、变化趋势相同,但同一个叶片角度泵装置的流量小于泵段的流量,两者在流量轴方向的位置相差为2°左右,两者的最高效率值相差约7%。该试验结果与文献[161920]得到的结论基本一致。

2.2 空化特性

泵装置模型的空化性能试验采用定流量的能量法,每个叶片角度取5个不同的流量点进行空化试验,测试时每个点的流量保持常数,逐渐降低泵进口压力,取泵装置模型效率较其性能点低1%的有效空化余量作为临界空化余量18。朱集站泵装置模型各个叶片安放角度(+4°、+2°、0°、-2°、-4°、-6°、-8°)的临界空化余量曲线如图5所示。
Fig.5 Curve between Q and NPSH of pump system model(n m=1 305.8 r/min,D m=0.30 m)

图5 泵装置模型QNPSH曲线(n m=1 305.8 r/min,D m=0.30 m)

Full size|PPT slide

试验结果表明:①泵装置同一叶片角度临界空化余量与流量的关系为开口向上的曲线,最优工况点附近的临界空化余量最小;②泵装置临界空化余量随着叶片角度的减小而下降;③在各扬程均满足设计流量Q=300 L/s的要求,泵装置最大扬程4.95 m、叶片角度+2°时的空化余量临界值约为8.83 m,泵装置设计扬程3.53 m、叶片角度-2°时的空化余量临界值约为6.32 m,泵装置最低扬程1.93 m、叶片角度-6°时的空化余量临界值为5.48 m;④经过计算复核,朱集站水泵叶轮中心安装于泵站进口最低水位以下3.5 m,满足水泵最小淹没深度的要求。
在进行泵装置空化试验时,为了更好地研究泵装置模型的空化性能,采用了逐步降低水泵进口能量的方法,并在此过程中采用闪频仪观察叶轮叶片表面空化的初生和发展。以叶片角度-2°为例,在泵装置扬程4.99和3.71 m时,观察到初生空化气泡首先出现在叶片背面和叶顶间隙靠近进口的区域如图6所示,泵装置效率下降1%时产生的临界空化泡如图7所示;在泵装置扬程1.87 m时,观察到初生空化泡首先出现在叶片工作面靠近进口的区域如图8(a)所示,效率下降1%时产生的空泡现象如图8(b)所示。
Fig.6 Initial cavitation bubbles on blade under high head conditions

图6 高扬程工况叶片初生空化泡

Full size|PPT slide

Fig.7 Cavitation bubbles on blade when efficiency drops by 1% under high head conditions

图7 高扬程工况效率下降1%时叶片空化泡

Full size|PPT slide

Fig.8 Cavitation bubbles on blade of initial and efficiency drops by 1% under low head condition

图8 低扬程工况叶片工作面初生和效率下降1%时的空化泡

Full size|PPT slide

由叶片角度-2°时的空化试验观察可知:在泵装置扬程4.99和3.71 m运行工况下,水泵叶片表面初生空泡产生在叶片背面和叶顶间隙处,此时空化余量值分别为14.63和14.54 m,如图6所示;随着进口能量的降低,当效率下降1%时的临界空化余量分别为7.97和6.32 m时,叶片背部和叶顶间隙处的空化泡区域面积增加较快,如图7所示;在泵装置扬程1.87 m运行工况下,水泵叶片初生空化泡产生在叶片工作面,其空化余量值为7.85 m,如图8(a)所示;效率下降1%时的临界空化余量值为6.98 m,叶片工作面的空化泡也比较明显,如图8(b)所示。不同工况时初生空化值与临界空化值比较如表2所示。
Tab.2 Comparison of initial cavitation value and critical cavitation value under different operating conditions

表2 不同工况时初生空化值与临界空化值对比

序号 流量/(L·s-1 净扬程H 装置/m 初生空化值/m NPSHC /m 空化泡位置
1 358.32 1.87 7.85 6.98 工作面
2 305.45 3.71 14.54 6.32 背面
3 259.96 4.99 14.63 7.97 背面
表2可知:在泵装置扬程4.99和3.71 m工况,当空化余量值是临界空化余量值约2倍时,空化泡就已在叶片背面出现,主要原因是由于扬程较高,叶顶间隙泄漏涡的影响较明显,导致初生空泡很早便出现,这里主要是间隙空化的体现;而在泵装置扬程1.87 m工况,初生空化泡出现时的空化余量值与临界空化余量值比较接近时,但空化泡出现在叶片工作面,主要原因是由于水泵工作扬程低,叶片工作面和背面的压力差较小,叶顶间隙泄漏涡不明显,同时由于入流角产生负冲角,在叶片工作面的入口处产生压力降低,从而产生空化泡,这里主要是翼型空化的体现。
综上所述,适当增加水泵最小淹没深度是有利于提高水泵的抗空化性能,同时空化试验中观察到叶片表面出现的空化泡及空化余量值对叶片的空蚀和机组稳定运行的影响有待进一步通过机组现场测试进行验证。

3 瞬态动力特性

3.1 飞逸特性

通过对试验台测试系统的切换,使水泵运行系统反向运转,进行了7个叶片角度不同扬程工况下模型泵的飞逸转速实验,其单位飞逸转速及相应的原型泵最大飞逸转速见表3。由表3可知模型泵的最大飞逸转速发生在叶片安放角-6°时,其最大单位飞逸转速值312 r/min,相应原型泵的飞逸转速为295 r/min,是电动机额定转速的166.7 r/min的1.77倍。
Tab.3 Test results of runaway speed of pump system of Zhuji Pumping Station

表3 朱集站泵装置飞逸转速试验结果

叶片角度/(°) 单位飞逸转速/(r·min-1 原型飞逸转速/(r·min-1 原型飞逸转速与电机额定转速比值
-8 307 291 1.74
-6 312 295 1.77
-4 304 288 1.73
-2 295 279 1.68
0 288 273 1.64
2 281 266 1.60
4 272 258 1.54
朱集站泵装置模型试验结果表明:考虑最不利情况,按最高净扬程计算原型泵装置飞逸转速为电动机额定转速1.54~1.77倍之间。当泵装置飞逸转速较高、飞逸时间较长时,可能导致水泵轴承系统磨损严重、引起联轴器螺栓松动,泵内流动易出现水力不稳定导致过流部件损坏,对泵机组设备造成损害21。因此,在泵机组设计制造时,需要根据朱集泵站不小于额定转速1.77倍的最大飞逸转速对水泵和电动机强度进行计算复核,电动机转动部分机械应力需按最大飞逸转速进行计算校核2223,以保证电动机满足能承受机组飞逸转速时电动机转子磁轭的变形小于气隙值的超速设计要求。

3.2 压力脉动

采用压力脉动试验用高频压力传感器对叶轮室进口处测点P1、叶轮室出口处测点P2、导叶体出口处测点P3的压力脉动情况进行了测量,测点位置示于图9。采用97%置信度的双幅值分析方法对测得的水压力脉动信号时域波形图进行了统计与计算。叶片安放角-2°泵装置扬程为1.97、3.53和4.92 m时所测得的压力脉动时域及频域曲线分别见图10图11图12
Fig.9 Pressure fluctuation measuring point position

图9 压力脉动测点位置示意图

Full size|PPT slide

Fig.10 Time domain and frequency domain diagrams of pressure pulsation when pump system head is 1.97 m

图10 泵装置扬程1.97 m时压力脉动试验时域和频域图

Full size|PPT slide

Fig.11 Time domain and frequency domain diagrams of pressure pulsation when pump system head is 3.53 m

图11 泵装置扬程3.53 m时压力脉动试验时域和频域图

Full size|PPT slide

Fig.12 Time domain and frequency domain diagrams of pressure pulsation when pump system head is 4.92 m

图12 泵装置扬程4.92 m时压力脉动试验时域和频域图

Full size|PPT slide

泵装置模型试验的水泵转速为1 305.8 r/min,水泵轴转动
频率为21.8 Hz,叶片频率为65.4 Hz。从压力脉动频谱图可以看出:①叶轮室进口P1点和出口P2点压力脉动幅值较大者出现的频率为21.8、65.4和121.8 Hz,均出现在水泵轴频率或叶片频率的整数倍处,叶轮室出口处的压力脉动幅值较进口处大,主要是由于旋转的叶轮叶片与固定的导叶产生的动静干涉所致24;②导叶体出口P3点的压力脉动在泵装置扬程1.97 m和3.53 m频谱图中21.8 Hz和65.4 Hz的压力脉动幅值较大,在泵装置扬程4.92 m频谱图中导叶体出口处压力脉动幅值较小且水泵轴频率整数倍处的压力脉动幅值也不明显。

4 结论与建议

(1)引江济淮工程朱集站泵装置模型最优工况点位于叶片角度-4°,泵装置效率达到78.33%,对应的泵装置模型流量和扬程分别为276.6 L/s和3.91 m,泵装置能量性能优异,表明朱集站进出水流道优化水力设计研究工作取得了令人满意的效果。
(2)在满足设计流量要求的前提下,叶片角度-2°时泵装置设计扬程3.53 m时的临界空化余量临界值为6.32 m,满足泵装置安全运行的要求。泵装置模型进口压力为临界空化余量值时,观察到叶片工作面或背面已经出现了较大面积的空化泡区域;特别对于空化泡出现在叶片工作面的低扬程、大流量工况,对水泵叶片具有较强的破坏性,应避开此角度运行,建议低扬程工况时采用较小叶片角度运行。
(3)泵装置模型飞逸特性试验结果表明,泵装置最高扬程时原型泵最大飞逸转速为295 r/min,是额定转速的1.77倍,在水泵和电动机转动部分设计时需满足该超速设计的要求,以保证机组的安全运行。
(4)水压力脉动的主频主要为水泵的叶频、轴频及其倍频,最大脉动幅值主要出现在水泵叶轮室的出口处,主要为转动的叶轮叶片与固定的导叶产生的动静干涉所致,不会对水泵装置的运行造成额外影响,表明流道设计和泵装置性能正常。对于扬程较低的朱集站,需要注意泵体结构的固有频率避开水泵转动的轴频、叶频及其倍频,以避免影响泵站的安全稳定运行。
朱集站泵装置模型的能量特性、空化特性、飞逸特性及压力脉动特性符合相关规程和泵站安全高效、经济运行的要求。 □

References

1
伍杰,胡兆球,秦钟建. 南水北调东线台儿庄泵站水泵装置优化选型设计[J]. 南水北调与水利科技20086(1):256-259.
2
张林,李永顺,宗理华,等. 南水北调东线长沟泵站立式轴流泵装置选型与优化设计[J]. 南水北调与水利科技20119(5):15-18.
3
吴辉明,田雨,廖卫红,等. 基于密云调蓄工程梯级泵站的抽水装置性能分析[J]. 中国农村水利水电2016(11):178-182.
4
中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 泵站设计规范:GB 50265-2010 [S]. 北京:中国计划出版社,2011.
5
梁金栋,陆林广,徐磊,等. 低扬程立式泵装置流道优化及模型试验研究[J]. 灌溉排水学报201130(6):73-76.
6
伍杰,秦钟建,陆林广,等. 低扬程泵站直管式出水流道优化设计计算及模型试验研究[J]. 南水北调与水利科技20053(6):16-18.
7
徐磊,陆林广,陈伟,等. 南水北调工程邳州站竖井贯流泵装置进出水流态分析[J]. 农业工程学报201228(6):50-56.
8
姜成启,张占,陈方亮,等. 南水北调东线工程睢宁二站导叶式混流泵装置模型试验分析[J]. 水泵技术2012(4):15-17, 7.
9
徐磊,陆林广,陈伟,等. 邳州站竖井式贯流泵装置模型试验研究[J]. 灌溉排水学报201231(2):120-123.
10
孙丹丹,陈世杰,王斌,等. 睢宁县凌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.
11
戴景,戴启璠. 南水北调东线淮安二站泵装置模型试验研究[J]. 人民长江201647(12):95-98.
12
龙俊,王豹,高亮,等. 石港泵站立式轴流泵装置模型试验研究[J]. 江苏水利2017(2):12-16.
13
仲子夜,王闻通. 淮安一站立式轴流泵装置模型试验研究[J]. 治淮2018(1):23-25.
14
吴新明,张前进,杨晓芬,等. 刘老涧抽水站水泵装置模型试验研究[J]. 水泵技术2018(3):33-37.
15
刘宁,汪易森,张纲 .南水北调工程水泵模型同台测试[M].北京:中国水利水电出版社, 2006
16
陆林广. 高性能大型低扬程泵装置优化水力设计[M].北京:中国水利水电出版社, 2013
17
扬州大学. 引江济淮工程朱集站泵装置CFD优化设计及流道模型试验研究报告[R]. 江苏扬州:扬州大学,2018.
18
中华人民共和国水利部. 水泵模型及装置模型试验验收试验规程:SL140-2006 [S]. 北京:中国水利水电出版社, 2007.
19
关醒凡,伍杰,朱泉荣. 南水北调东线已招标泵站水泵模型装置试验成果及分析[J]. 排灌机械2006.
20
关醒凡,黄道见,刘厚林,等. 南水北调工程大型轴流泵选型中值得注意的几个问题[J]. 水泵技术2002(2):13-16.
21
潘志军,陈鲁,何勇,等. 大型泵站机组飞逸转速的确定及电机强度设计[J]. 浙江水利水电学院学报201628(4):19-23.
22
白延年. 水轮发电机设计与计算[M]. 北京:机械工业出版社, 1982.
23
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 旋转电机定额和性能:GB 755-2008 [S]. 北京:中国标准出版社, 2008.
24
王凡,钱忠东,郭志伟,等. 可调导叶式轴流泵压力脉动数值分析[J]. 农业机械学报201748(3):119-123.
PDF(2503 KB)

1030

Accesses

0

Citation

Detail

Sections
Recommended

/