陈 洋

(长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司，上海 200439；上海宝山人力资源有限公司，上海 201900)

低扬程泵站在水资源调配、水环境改善、城市防洪和灌溉排涝等方面建设得越来越多，竖井贯流泵装置水力性能优异，装置效率高[1- 2]。近年来，不少学者对其进行了研究，例如刘君等[3]经过对比分析，得出前置竖井贯流泵装置比后置竖井贯流泵装置具有更好的内特性；周春峰等[4]研究了竖井贯流泵中竖井部分对贯流泵装置的水力性能的影响；翟作卫等[5]对杏林湾排涝泵站竖井贯流泵装置进出水流道流态进行数值模拟，得出出水流道通过设置中隔墩保证良好出水条件。随着CFD技术的推广，针对竖井贯流泵装置内特性的研究越来越多。对竖井贯流泵的装置模型试验的测试研究也有，如杨建峰等[6]对通吕运河竖井贯流泵装置开展了装置模型试验；袁尧等[7]对江阴定波双向竖井贯流泵站进行物理模型试验分析；徐磊等[8]对南水北调东线一期工程邳州站进行了装置模型试验研究，得出超高的装置效率。但随着竖井贯流泵的大型化发展，这些装置试验测试还不够多，特别是更低扬程段的测试数据不多。考虑到南方地区的超低扬程泵站净扬程常只有1～2m，而流道水力损失至少也有0.4～0.6m，流道效率很低，使得装置效率难以提高。规范根据调查资料分析，给出了装置效率值得参考范围，GB 50265—2010《泵站设计规范》[9]9.1.11规定“净扬程低于3m的泵站，其装置效率不宜低于60%”，然而随着我国泵站设备设计水平和制造水平、流道研究和施工水平的提高，该范围已不能完全反映现阶段泵站的装置效率水平。为此，仍然需要大量现阶段的装置模型试验资料，反映现阶段能达到的装置效率水平。本文结合某特低扬程竖井贯流泵站，采用装置模型试验的方法，比较分析了出水流道增加中隔墩对装置能量特性的影响，并对运行方案提出了优化调整建议。本文的试验测试结果也是对现阶段的低扬程竖井贯流泵装置效率水平的部分体现，并提供了数据支持。

1 研究对象

浙江某沿海泵站单机设计流量20m3/s，泵站设计净扬程0.98m，最低净扬程0m，最高净扬程2.76m。泵站装设2台前置竖井贯流泵，快速闸门(带拍门)断流。原方案选型设计水泵叶轮直径D=2.60m，水泵转速110r/min，进水流道宽7.2m，出水流道无中间隔水墩，快速闸门为单孔闸门，宽度6.0m。采用天津TJ04-ZL- 07#水力模型。由于工程原因，快速闸门起吊方案调整2孔3.1m宽闸门，出水流道增设1m宽中间隔水墩，出水流道长度和水位条件不变。原方案和调整方案的出水流道尺寸布置见表1，工程流道模型三维示意如图1所示。

图1 工程模型三维示意图

表1 研究对象两种方案尺寸

2 装置模型试验

装置模型试验台主要工作参数如下。扬程：-1～16m；流量：0～0.8m3/s；动力机功率40kW，转速0～1600r/min。泵进出口过流设施试验采用封闭布置。原、模型过流部件几何相似，尺寸按同一模型比确定。原、模型泵叶轮直径Dn及Dm分别为2.6m和0.3m，模型比8.667。流道模型的加工如图2所示。在无汽蚀条件下，完成水泵装置模型叶片角度-4°～+4°常规动力特性试验。气蚀试验时保持流量不变，通过对封闭循环系统抽真空，装置有效气蚀余量(有效净正吸头)随系统真空度加大逐渐下降，效率下降1%时有效汽蚀余量即为临界汽蚀余量NPSHc[10]。

图2 进出水流道制作及模型装置

3 能量特性试验结果比较与分析

根据试验数据采用相似定律换算至原型，叶轮直径D=2.6m，泵转速n=110r/min，叶片角0°下运行，如图3—4所示：

图3 无中隔墩方案原型装置特性曲线

图4 有中隔墩方案原型装置特性曲线

对于出水流道无中隔墩方案，设计净扬程0.98m时，模型装置效率62.3%，流量Q=19.71m3/s。最大净扬程2.76m时，模型装置效率为67.26%，流量Q=12.32m3/s。

对于出水流道有中隔墩方案，设计净扬程0.98m时，模型装置效率64.6%，流量Q=19.89m3/s。最大净扬程2.76m时，模型装置效率为67.64%，流量Q=12.46m3/s。

试验结果说明：设计扬程下流量略小于设计流量20m3/s。叶片角0°装置最高效率点在扬程2.0m左右，最大值达76%、77%以上，与文献[11]常州大运河东测试最优装置效率75.69%相近。装置模型能稳定运行，说明流道加设中间隔墩的设计亦合理。

4 增大转速方案分析

4.1 转速增加对能量特性的影响

以上为装置扬程同泵站净扬程条件下，设计净扬程0.98m，叶片角0°流量勉强接近设计要求；但计及拦污栅污物水力损失，设计扬程取1.38m、叶片角0°时流量仅为18.83m3/s，装置效率为73.69%。为加大流量，增加运行稳定性，适当增加转速是必要的。取转速120r/min，原型综合特性如图5所示；为作对比，取转速125r/min，原型综合特性如图6所示。对比图5—6，转速加大到125r/min，虽然设计扬程流量比转速120r/min稍有增大(叶片角0°增大1.2m3/s)，但装置效率下降2.3%。为力求高效区接近设计扬程，取设计转速120r/min。

图5 转速120r/min原型装置特性曲线

图6 转速125r/min原型装置特性曲线

4.2 转速增加对气蚀性能的影响

如图7所示，110r/min全部运行范围NPSHc在3.5～6m，临界汽蚀余量NPSHc与转速平方n2成正比。转速由110r/min增加到120r/min，NPSHc增大1.19倍。根据试验，110r/min全部运行范围NPSHc不大于6m，与文献[11](nD=285)测试结果相符。120r/min条件NPSHc应不大于7.2m，其值远小于有效汽蚀余量，气蚀性能良好。

图7 原型装置扬程与汽蚀特性曲线

5 结论与建议

(1)根据装置模型试验对比和外特性分析。出水流道增设中隔墩后，净扬程0.98m时，装置效率提高了2.3%，流量相差不大。但对于不同中隔墩长度的影响还有待进一步研究。

(2)可通过合理增加机组转速，加大流量，调整优化运行方案，机组转速的增加引起运行工况点气蚀性能变化，本工程120r/min全部运行范围NPSHc不大于7.2m，气蚀性能良好。

(3)GB 50265—2010规定“净扬程低于3m的泵站，其装置效率不宜低于60%”，本文的试验结果，在扬程2.0m左右，最大值达76%、77%以上。体现现阶段特低扬程泵装置的设备设计和制造水平所能达到的装置效率。