基于装置模型试验的斜式轴流泵压力脉动特性分析

汪宝罗，朱建忠，张弋扬，潘利国，何成连

（1.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310002；
2.嘉兴市杭嘉湖南排工程管理服务中心，浙江 嘉兴 314001；
3. 中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

浙江省近年来建设了数座单机50 m3/s的大型斜式轴流泵站，其运行安全性、稳定性直接关系到当地防洪排涝安全。斜式轴流泵在国内应用案例非常少，发展相比国外晚近50 a，我国从20世纪80年代末期才开始陆续在各大泵站应用[1]。据不完全统计，国内的斜式泵站有：内蒙古红圪卜、上海太浦河、江苏省新夏港、湖南省黄盖湖和苏家吉、浙江省嘉兴盐官、杭州三堡、广东省文头岭等。因斜式轴流泵的流道弯曲，已经运行的泵站出现左、右流道偏流严重等问题，这种流动现象也在过去的研究中得到体现。施卫东[2-3]等认为斜式泵出水流道的流态有待提高，仇宝云等[4]认为无论什么泵型，出水流道均存在回流，导致左右流道流量不均衡。谢丽华等[5-9]通过装置模型试验和CFD优化研究中对斜式泵出水流道的流动特性进行验证和改良。

为了进一步探求斜式轴流泵的流动特性，浙江省对新建的斜式轴流泵站开展一系列CFD模拟及装置模型试验工作。本文基于浙江省建设的几个不同倾斜角度斜式轴流泵装置的模型试验，对斜式轴流泵的压力脉动数据进行整理，对几个共性问题进行分析，总结该泵型的水压力脉动规律。

浙江省三堡、八堡、长山河、盐官这4座泵站的斜式泵装置模型试验均在中水北方勘测设计研究有限责任公司试验台完成。因此，上述各泵站的装置模型试验具有同台试验环境[10]和相同的系统误差，试验数据对比分析具有说服力。

斜式轴流泵水压力脉动测试采用中国地震局工程力学研究所的G01型多功能USB高级数据采集分析系统，CGYL-201型高精度水压脉动传感器，输出与水压力成正比的电压信号，量程为-10~20 m，动态响应范围0~1 500 Hz，使用DRUCK标准压力计现场静态原位率定。

图1为中水北方公司轴流泵试验平台的系统示意图；
图2为八堡泵站装置模型试验照片图；
图3为八堡泵站装置流道型线图。

图1 试验台系统示意图

图2 八堡泵站装置模型试验照片图

图3 八堡泵站进、出水流道单线图 单位：cm

根据斜式轴流泵流道的特点，在其转轮进口、转轮与导叶之间、导叶出口、出水流道弯管、左侧出水流道、右侧出水流道布置水压脉动测点。各测点的位置、符号见表 1。测点布置照片见图4[11]。

图4 测点布置照片图

表1 测点位置表

转动叶片与静止导叶间的相对运动、偏离最优工况时吸水室水流圆周运动、局部空化及二次流等因素，都可能导致泵内水压力随时间不断快速变化，即出现压力脉动。压力脉动的最大危害是产生水力激振，同时还可引发进一步局部空化，甚至在某些情况下引发共振[12]。因此，压力脉动是影响大型轴流泵运行稳定性的关键因素，也是泵装置试验阶段需要特别关注的内容。

水泵压力脉动研究开展较晚，始于20世纪70年代，当时将压力脉动看作随机信号处理。随着研究深入后发现，水泵压力脉动与振动、噪音有着密切联系，了解压力脉动在不同工况下的类型有助于控制、降低压力脉动，从而达到提高泵系统工作品质，降低振动、噪音的目的[13]。因此，为避免因压力脉动而引发的水力振动，有必要对斜式轴流泵压力脉动的规律进行研究。

压力脉动研究不同于能量特性研究，目前的CFD技术已经可以通过优化后的湍流模型，较为准确地模拟斜式泵的能量特性，但是压力脉动特性的计算需要通过非定常模拟，计算工作量庞大，且计算的准确性也有待检验。因此，目前压力脉动的研究主要还是依托装置模型试验，压力脉动试验也是整个装置模型试验中最困难的部分。试验数据表明：流道不同位置的压力脉动强弱不一，流态好的位置压力脉动比较清晰，反之压力脉动表现得较为混乱，为压力脉动规律性总结工作造成较大的难度。

长山河、盐官、八堡3个斜式轴流泵站在装置模型试验期间，均开展压力脉动的研究，这些研究包括转轮进口、转轮与导叶之间、导叶出口、左侧出水流道、右侧出水流道等部位。通过对这些测点不同工况下的压力脉动进行整理与分析，发现有2处测点的压力脉动在不同工况下呈现较强的规律性：其一为导叶出口处的压力脉动，其二为出水流道左侧压力脉动。经对长山河这2个位置的压力脉动数据进行整理，结果见图5~6。

图5 各扬程下导叶出口压力脉动与叶片角度关系图

图6 各扬程下左侧出水流道压力脉动与叶片角度关系图

从图5~6中可见：

（1）导叶出口处压力脉动呈现出较强的规律性，在相同扬程下，叶片角度越大，压力脉动越大。

（2）同一叶片角度、不同扬程下，压力脉动值呈现出两头高、中间低的现象，即高扬程和低扬程下，压力脉动大，中间扬程压力脉动小。压力脉动最小的区域为装置效率最高的区域。以长山河泵站为例，装置效率最高的区域对应的扬程为7.5~6.6 m，该区域也是压力脉动最小的区域。

（3）出水流道左侧的压力脉动值也呈现较好的规律性，与导叶出口处类似。在相同扬程下，叶片角度越大，压力脉动越大，其数值与导叶出口处的压力脉动相比，大幅减弱。

基于同台试验具有的数据对比优势，通过总结几座在中水北方试验台开展同台试验的斜式轴流泵的装置模型试验成果，获得上述斜式轴流泵的压力脉动规律性，基于这些成果，提出以下几点建议：

（1）在水泵选型阶段，让水泵经常运行的工况点尽量处于最高效率区附近，有助于提高机组安全稳定运行。

（2）当泵组偏离最高效率区运行时，为了降低压力脉动引起的机组振动问题，可以通过变桨技术，将水泵桨叶往小角度进行偏转，以此降低压力脉动数值，提高机组运行的安全稳定性。

（3）泵站现场对真机开展压力脉动监测时，测点位置应当优先选择在导叶出口和左侧出水流道，这2个位置可获取较清晰的压力脉动信号。

（4）受出水流道2次转弯的影响，斜式轴流泵出水流道具有左侧偏流的特性。受此特性影响，左侧出水流道的压力脉动比右侧流道更能体现出规律性。

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