南水北调东线一期工程宝应泵站水泵装置模型验收试验成果分析

1、南水北调东线一期工程宝应泵站水泵装置模型验收试验成果分析第3卷第5期2005年10月南水北调与水利科技Soutrto-N0nhWaterTransfersandWaterScience8.TechnologyVo1.3No.5Oct2005南水北调东线一期工程宝应泵站水泵装置模型验收试验成果分析张仁田,陆永泉.(1.江苏省水利勘测设计研究院,江苏扬州225009;2.江苏省水利工程建设局,南京210029)摘要:对南水北调东线一期工程宝应泵站水泵装置模型验收试验的内容及试验结果等进行了分析,得出了装置试验结果符合合同要求的结论.同时.根据该试验验收过程提出了南水北调工程中泵站装置验收需要考虑的

2、若干建议,供其它类似泵站试验验收参考.关键词:水泵;模型试验;验收;装置;参数中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1672-1683(2005)05001305ModelAcceptanceTestoftheBaoyingPumpingStationintheSouthto-NorthWaterProjectZHANGRentian.IUYong-quan.(1_JiangsuSurveying&DesignInstituteofWaterResources.,Ltd.Yangzhou225009;2.WaterConsernYEngineeringBureauoJJi

3、angsuProvime,Naing210029,China)Abstract:ThemodelacceptancetestisintroducedandaconclusionismadethattheresultsaresatisfactionwiththerequirementoftheContract.Asreference,somesuggestionsareputforwardforthemodelacceptancetestsintheSouth-to-NorthWaterProjecttobesimilarwiththispurepingstation.Keywords:pump

4、;modeltest:acceptance:systemparameterl概述宝应泵站是南水北调东线工程的第一梯级泵站,也是东线工程首座开工的泵站.宝应泵站位于江苏省宝应县汜水镇东南约5km处,主要作用是向北调水,并可结合抽排里下河地区涝水,泵站设计规模为100ITI/s,设计中采用全调节导叶式混流泵4台套,泵及泵站的主要参数如表1所列.根据招标文件的规定,主水泵采用中,外合作的方式进行加工制造,外方厂商负责其中2台叶轮及中置式环保型液压调节机构的加工,同时负责泵站装置的水力设计和水泵的结构设计.装置模型验收试验由外方承担.通过竞争性招标.最终由国内的无锡市锡泵制造和日本的日立制作所组成的联

5、营体中标,装置模型验收试验在日立制作所土浦工场的模型试验台上进行,并于2003年12月通过了中方的验收.本文对验收试验的情况进行简要的介绍.并对有关问题进行探讨,供南水北调工程中其它泵站的装置模型验收试验参考.表1宝应泵站基本参数2装置模型试验2.1试验台及测试装置试验台中的流道装置和模型泵按照日本国家规范-的规定制作,模型泵的叶轮直径为300rnlTl,采用不锈钢制作,外壳收稿日期:20050510基金项目:水利部”948”项目,(200421)作者简介:张仁田(1964一),男,江苏建湖人,博士,教授级高级工程师,主要从事水力机械专业工程设计,咨询和研究工作.第3卷总第19期?南水北调与水

6、利科技?2005年第5期采用透明材料制作,在进水流道和出水流道分别设置了3处观察窗,见图1.日立公司的试验台为密闭式循环试验台,吸入压力通过与压力罐联接的空压机及真空泵进行调整,出水广妻户裹藩l门流量由流量调节阀和加压泵进行调整.在流道装置的上游和下游侧均安装了4倍管路水力直径的直管,以达到进口和出口压力均匀和稳定之目的.图1试验台模型装置试验中采用的主要测试设备包括电磁流量计,压力传感器,扭矩仪,电磁式旋转计,温度传感器和压力脉动测定使用的小型压力变送器等,这些设备的精度均满足IEC193和日本规范1等有关规范规程的要求.2.2试验项目及试验方法验收试验的项目包括:(1)水泵泵段试验成果的检

7、查与确认;(2)测量仪器校准成果的检查;(3)不同叶片安放角下的能量特性试验;(4)不同安放角下的气蚀特性试验;(5)不同安放角下的飞逸特性试验;(6)不同叶片安放角下的压力脉动试验:(7)模型水泵叶片及流道装置的尺寸检查等.2.2.1能量特性试验方法根据规范1的规定进行,测量流量,进口压力,出口压力,扭矩,转速,气温,水温和大气压力等参数.进口和出口压力测点布置在其上游和下游的2倍水力直径处.试验过程中维持NPSH值在25m,保证模型水泵运行在无气蚀发生工况.不同叶片安放角下在流量为最高效率点的0120%范围内测试7个点.2.2.1气蚀性能试验方法试验中改变NPSH有效值,按照扬程下降3确定

8、NPSH的临界值,同时记录效率下降1的NPSH临界值作为参考.每个叶片安放角按照扬程6.4m,7.6m和8.0m等工况点进行试验,并记录无气蚀发生和扬程下降3时叶片压力面和负压面的流态图片.整个试验过程进水流道中均无漩涡形成.2.2.3飞逸特性试验方法在叶片安放角为00时,通过调整升压泵使模型装置中的水泵反向转速为800,1000和1230r/min时力矩基本上保持为0,进行数据的测量,包括流量,进口压力,出口压力,力矩和转速,试验过程中维持NPSH值为25ITI.2.2.4压力脉动试验方法在模型装置的进水流道壁面和模型水泵叶轮与壳体之间的壁面处布置压力脉动测定点,见?14:墨墨图1,采用压力

9、传感器进行脉动值的测量.以叶片频率(“一1230r/min,Z一4)作为基频采用FFT法进行压力脉动的频谱分析.2.2.5模型泵加工精度检查方法根据规范的规定ll,对模型装置进行加工误差检查,其中取三个截面用样板检查叶片的型线,取二个截面用样板检查导叶体的型线,叶片及导叶其它尺寸,进水流道和出水流道的各部位尺寸等采用卡规,卡尺及专用工具进行检查.3试验结果及分析3.1试验参数换算方法根据合同规定的性能参数换算方法,流量,扬程和功率均采用相似率进行换算.不修正;效率采用规定的公式进行换算,主要公式如下:l00g07O一g=-5O柏3O2010O1O1520253oQ(mVmin)图2模型装置特性

10、曲线Qf,=Q.(npJ【Dp).206一兰2詈三.a.T-.一i曼一张仁田等?南水北调东线一期工程宝应泵站水泵装置模型验收试验成果分析HrH,nl,Dl,)P=9.81QH/.s(l-()式中:Q一原型泵流量(nl/s);D一泵叶轮直径(iil/n);H扬程(m);泵转速(r/min);P原型泵轴功率(kW);矿_效率().下标P原型;m模型.3.2模型试验结果根据合同规定的保证值,主要能量参数结果汇总见表2,性能曲线如图2所示.根据合同规定的权重,模型装置加权平均效率保证值不低于79.9,试验值为80.5.特征扬程下按照扬程下降3确定的NPSHr值如表3所列.表2特征扬程下能量特性参数表3

11、特征扬程下NPSHr值汇总反向飞逸特性试验结果及单位飞逸转速计算成果如表4所列,模型装置单位飞逸转速为179.7r/min.换算到真机设计扬程下的飞逸转速为168r/min.为额定转速的1.34倍.按照叶频()的倍数对叶片安放角为o.和一2.的振幅表4飞逸特性试验及单位飞逸转速计算成果1S?第3卷总第19期?南水北调与水利科技?2005年第5期进行频谱分析,结果见表5,设计扬程下叶片安放角为O0时进口和出口的频谱图见图4.3.3目击验收试验根据合同规定,在叶片安放角为一2.时进行了能量特性试验,共测量了从大流量至零流量共9个工况点,验收结果与提交结果对比如图5所示.进行了设计扬程下的气蚀试验和

12、三个扬程下的压力脉动测试.目击试验还包括了模型叶轮尺寸检查,检查的尺寸包括叶片间距P.,叶片长度L.,叶片高度H-和叶片安放角,叶片厚度和三个截面的型线,检查项目的误差均复核要求,叶片型线检查结果如表6所列,目击测量图例见图6.图4压力脉动频谱分析结果表5压力脉动频率振幅分析1l907(1墓60504)30alf)t$L.-一/_一J【/-_一测量误差主要包括扬程测量(压力测量)误差,流量测量误差,力矩测量误差和转速测量误差等,根据试验台中设备的率定情况.综合误差分析见表7.试验台效率测量的综合误差为:一±,ll一±Vo.59+0.44+0.40+0.15一±0.

13、85()符合合同规定的要求j,因此模型装置试验运行工况范围内性能数据均满足合同要求,见表2.流量试验的装置效率指标较高,最优工况点效率达到了81.5(已扣除进口收缩和出口扩散损失影响1),高效率范围宽.表明水泵模型和进水,出水流道的水力设计是成功的,能量指标处于国际先进水平.气蚀验收试验按扬程下降3的NPSH结果均满足合同要求,但按照效率下降1均不能满足合同要求,按两种方式确定的NPSH值对比表见表7,因此在进行泵站设计考虑叶轮淹没深度时,需留有余量.确保泵站的安全运行.从压力脉动验收试验的结果发现在不同叶片安放角下,叶轮出口处的低频压力脉动值变幅较大.需要在进行真泵设计时引起注意,分析引起脉

14、动变化的原因,而且在泵站投入运行时加强观测,以保证泵站的稳定运行.表7不同确定方法的NPSH值对照叶片安放角+2.0.一2.一4.一6.-8.一1O.4建议宝应泵站是南水jE调东线一期工程中最早进行设备采购的泵站,而且采用了国外技术,由于缺乏借鉴经验,因此在模型装置试验的技术要求,验收方式与内容方面均存在一些不足之处.现提出几点建议供南水北调工程中其它泵站模型装置验收参考.(1)关于模型装置的规定.我国规范要求模型泵的进,出水流道应直接与试验台的进,出水侧容器相连,以尽可能模拟真实泵站的进,出水条件.但是国际规范及日本规范中均没有类似的规定,因此在宝应站的模型装置试验中进,出水流道直接用管道连

15、接.相比之下.进口收缩损失和出口扩散损失均小于中国规范.经过分析对装置效率的影响在0.51.0.因此,建议在模型装置验收试验的技术要求中明确规定采用我国规范对装置的要求.(2)关于气蚀试验中NPSH临界值的确定.我国规范要求按效率下降1或扬程下降(2+K/2)×H确定,二者取9一,1大值作为临界气蚀余量NPSHc,其中型式系数K-等(gHJ在本次试验中,设计工况下K一3,但日本规范规定按扬程下降3确定.从图3中可以发现,当扬程下降3时叶片的压力面和负压面均充满了气蚀气泡,而且通过效率的测定,全部工况点在扬程下降3之前效率已下降了1,两种方法确定NPSH的差距对照见表7,因此建议其它泵

16、站的模型装置验收试验中明确规定按照我国规范的要求进行试验,以保证泵站运行的安全.(3)在我国的现行规范中虽然考虑了模型泵装置试验的有关内容,但对模型装置中进,出水流道尺寸的允许偏差和粗糙度均没有明确规定,而日本的规范中虽有规定,但也不全面,仅有水平长度,垂直高度和进口出口宽度等主要尺寸.在本次验收试验中,参照导叶体的加工进度要求对进水流道的进口收缩段(分二段),肘形弯管,出水流道的出水弯管,上升段,喉管和下降段分别进行加工精度检查.对于南水北调工程中的低扬程泵站,进水和出水流道的加工精度对装置性能有显着影响,其影响程度并不亚于模型叶轮,是不可忽视的重要因素.因此,为泵站南水北调工程中模型装置试

17、验成果的可靠性和可比性,建议对几种主要装置型式的进水和出水流道加工精度作出统一的规定,同时也能促进模型装置中流道加工质量的进一步提高.(4)关于压力脉动试验.随着机组大型化和性能指标的提高,机组稳定性是一项不可忽视的重要因素,从本次压力脉动试验结果来看,在一2.时叶轮出口的一阶压力脉动比0.时有大幅增加,见表5.由于影响压力脉动的因素较多,其中水力因素就包括气蚀振动,卡门涡等,而这些因素的反映又与测点的布置有关,现有的规范均没有对测点的位置有明确规定,因此建议根据南水北调泵站的重要性和具体型式,对模型装置中压力脉动试验的测点布置,测点数量,测试方法及评判标准等作出具体规定,供模型装置验收试验时使用.参考文献:1JapaneseStandardsAssoci