长输浆体管路停泵水锤的研究

停泵水锤是指水泵机组因突然断电或其他原因造成开阀突然停车时，在泵及管路系统中，因流速突然变化而引起-系列急骤的压力交替升降的水力冲击现象 J。在长距离管道输送系统中，由于停泵水锤事故造成水力过渡过程中管道爆管、设备破坏甚至泵站淹没，从而直接影响工农业生产，造成巨大的经济损失 J。因此，停泵水锤收稿日期： 2012-08-07 修稿 日期： 2013-03-05的计算具有重要意义。而进行停泵水锤计算时，不论是研究突然停泵后管路的水力暂态，还是研究消除停泵水锤危害的防护措施，都必须用到泵的全面性能曲线 。

泵的全特性曲线作为数值计算有压管道水力过渡留所必须的数据来源，为泵系统水力过渡过程的分析、泵站的设计以及停泵水锤的计算提供了重要的数据支撑。由于泵全特性曲线试验条件极为复杂，因此全特性数据难以获龋利用有限2013年第 41卷第 8期 流 体 机 械 27资源，通过研究分析来获取需要的泵全特性数据，具有重要的现实意义L8 。本文通过采用通用公式和就近取值法得到不同比转数的泵全特性曲线的数值化离散数据，然后对工程实例研究离散数据差异对停泵水锤的影响，为同类工程停泵水锤的计算提供参考。

2 泵全特性曲线分析2.1 泵全特性曲线的改造泵全特性曲线通常由生产厂家提供，生产厂家又是从模型试验中得到，利用相似定律，将模型试验结果换算到实际泵，改造成实际泵的全特性曲线。

泵全特性曲线表示泵在任意可能运行条件的特性，其中包括了停泵水锤中可能出现的泵工况，制动工况和水轮机工况 。对于既定管道和初始稳定流状态，动力中断后的停泵水锤主要撒于水泵的全特性和水泵机组 的转动惯量 ]。

有关研究表明，相同比转数的水泵，其全特性曲线是相同或相近的，误差在水泵分析中可以忽略不计，但是不同比转数的水泵，其全特性曲线不同。

- 般而言，对于相同的管道，在初始稳定状态，事故停泵水锤产生的最大压力升高，主要撒于水泵在制动工况和水轮机工况通过过的最大倒流量。 ，泵的全面性能线包含4个性能参数：扬程 日，流量 q，转矩 和转速 Ⅳ，若以 q和 Ⅳ为纵横两坐标参数，则全面性能曲线包含-组等 日值曲线和另-组等 M曲线。根据扬程相似定律、流量相似定律和力矩相似定律，同-台泵在各不同转速条件下的性能曲线叠合在-起：旦 -旦 -旦 r 1、N Nl N 、用-组无因次参数来表示工作参数与额定参数的相对比值， ， ，h，m，则(1)式中的两条性能曲线可以改绘成以下两条以无因次参数为新坐标的性能曲线：鱼 -旦 -旦 ，、 。 但由于 ， ，h，m可正可负，可为0，故麦切尔等提出将无因次坐标改为以下的无因次新坐标参数 ：仃tan (舌)v/H( )南 (3)删( ) 南 横坐标的 以弧度计，变化幅度仅为0～2竹，纵坐标的变化范围也有限。根据Ns128的离心泵的无因次全面性能曲线，可见，WH、WM两条曲线形状较为复杂，很难用简单的数学公式对其进行满意的近似描述。从经过改造的无因次参数曲线上，从 0-21T，以等 间距 2/88 0.0714，取下离散数据，然后通过线性内插，就可相当准确地模拟原性能曲线。

2.2 离散数据的获取方法离散数据的获取方法有 3种：实测法、就近取值法和通用公式法。

(1)实测法：通过实验得到不同比转速的泵全特性曲线，根据泵的相似理论进行改造，得到WH、WM的 89组离散数据。而且需要通过不断调节实验设备，使被测定的泵处于各种工况，这样，就使泵的全特性曲线的测定是-项特别繁杂的工作。厂商-般不会给出泵的全特性曲线，通常要从其它可以利用的实验数据来给出全特性曲线。但是这些实验数据也是很难找到的，因为这些实验的费用是相当昂贵的。到 目前为止，通过实测都得到的泵全特性曲线数值化数据的仅有Ns128的离心泵，Ns530的混流泵，Ns950的轴流泵。

(2)就近取值法：现有的实测比转速 为128、530、950的泵全特性曲线的数值化数据为基础，比较实际工程中泵的比转速与着 3种比转速哪-个更接近，然后采用隶属数据作为工程实例中泵的全特性曲线的数值化数据，再进行停泵水锤计算。

(3)通用公式法：若实际所用的泵的比转速没有与之相接近的比转速可以利用时，刘光临提出的通用模型可供参考 。通用模型是根据比转速为90、260、530、950的4种泵的实验资料，绘制成 WH( )- ，wM( )- 曲线，发现在 -定的条件下，WH、WM 的值都可能写成 的函数。

是采用上述4种有代表性的、由实验数据推求得到的全特性曲线，分别选韧事故停泵过程有关的泵工况、制动工况和水轮机工况，在 0～3/2叮rFLUID MACHINERY Vo1.41，No.8，2013范围内取 19个不同的 值，分别有 4种不同比转速的WH、WM与之--对应。对于4种不同比转速的4个点，选取 为自变量，WH、WM为函数，用三次多项式进行曲线拟合，建立如下形式的4个方程，对于 WH得到：fWH1a0aINs1。2M 03I WH2Ⅱ0a1Ns2a2Ns a3Ns；1 we3Ⅱoa1Ns3a2Ns a3Ns；LWH4(z00lNs4a2Ns：a3Ns(4)对于某-已知的 值，分别代人 4种泵的比转速 及所对应的 WH、WM值，由式(4)和(5)分别求解方程的系数 a。、a。、a 、a 和 b。、b。、b 、b 。对于 19个 值，可得到 19组方程系数，同时建立 19组以下形式的方程组：l WHBbaI N sa2N 63N 、WM b0b1 62 63当所使用泵的 值确定时，就可利用这-系利方程组，将具体 值代人，从而得到该种泵在这-系列 值条件下的 WH、WM值。-般选取△ -tr/44，故在 0～3/2，tr范围内，选择 67个等间距的 值，得到67组 WH、WM，即可满足计算要求。

利用就近取值法和通用公式法获得 2组不同的泵全特性曲线的数值化数据，然后比较其数值差异对长距离浆体输送管道的停泵水锤过程的影响。

3 工程实例概述某电厂的除灰系统由2台串联渣浆泵和-条复合管道组成，将灰渣池的灰浆通过渣浆泵加压后送往山后面的灰场(如图3)。管道为复合铸石管道，外壁为钢管，中间为水泥砂浆填充层，内层为铸石管，具体参数见文献[15-17]。选用2台250ZJ-A85渣浆泵串联。单泵工况为：转速为960r/min，扬程为 128m，流量为 0.328m /s，额定转矩为5248N·m ，机组飞轮力矩为7348N·m ，比转速为：s 365 ： 52.73//R灰水 重量 比为 1：10，灰 的真 实 密度 为2000kg/m。

3.1 泵全特性曲线离散数据的选取就近取值法：根据现有的实测 比转速 为128、530、950的泵特性曲线的离散数据，本工程中泵的Ns52.73与比转速为 128最接近，可近似利用 128的泵的离散数据进行计算。

通用公式法：将工程的比转速 52.73代人式(3)，-般选取得到利用曲线拟合得到67组离散数据。( >3"r/2的工况在水锤暂态中-般不出现。)将 52.73代入公式(3)计算泵的WH和 WM值。Ⅳ 52.73、128的泵 WH、WM 曲线见图 1。

图 l 泵无因次曲线比较3.2 对停泵水锤进行计算该工程是长距离浆体输送管送工程，分别利用由就近取值法和通用公式法得到的泵特性曲线的离散化数据进行停泵计算，研究离散数据的差异对停泵水锤的影响。

3.2.1 无阀管路当泵出口无阀时， 52.73和 128时的泵特性曲线如图2、3所示。

图2 无阀管路泵出口相对转速 、相对流量比较胍 佻 胍 胍 胍 胍 佻 ： 吼 吼2013年第4l卷第 8期 流 体 机 械 29曼 250O 25 50f(s)图 3 无阀管路泵出口压头和管道膝部压头比较由图2、3可知，2种比转速下停泵时泵出口最大压头相同，为338.59m，最大水头值相同。但 52.71泵的最大倒流量为 01611m /s，而 128的泵的最大到流量为 0.1588m /s，相差并不大。

3.2.2 普通阀管路在泵的压出口处增设普通阀，正向流动时阀门全开，-旦流速降为零，阀门瞬时全关，相对流量为零。计算结果如图4、5所示。

图4 普通阀管路泵出口相对转速、相对流量比较暑蕾，二鲁0 毫0 25 5Offs1图5 普通阀管路泵出口压头和管道膝部压头比较由图4、5可以看出，对装设普通阀管路的系统，泵全特性曲线数值的差异对停泵水锤计算的影响并不大，在图中体现为对应曲线基本重合。

3.2.3 缓闭阀管路无阀管路的压力波动-般并不大，但反转速度很大，有普通阀的管路可避免机组反转，但能引起相当大的管路水锤压力，因此，通常在泵出口装设缓闭阀。动作设计为，先快关 4.5s，慢关13.5s，计算结果如图6、7所示。

0 25 50zfs、图6 缓闭阀管路泵出口相对转速 、相对流量比较蛊雹-二g： 惫图7 缓闭阀管路泵出口压头和管道膝部压头比较由图6、7可以看出，Ns52.73、128时的泵全特性曲线下的停泵水锤计算中最大倒流量分别为 0.02458m /s、0.0171 m /s，管路膝部的最大压头分别为319.37m、330.41m，泵出口最大压头分别为342.39m、340.77m，图中可以看出曲线的趋势相同，差异并不大。

4 结论(1)不同比转速泵的全特性曲线具有差异，依据相似理论对泵全特性曲线进行数值化改造在理论上是可行的，这为停泵水锤的计算奠定了基础；(2)同类型泵的全特性曲线的趋势相同、差异不大，特性曲线数值离散化后也有相同的特点。

30 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.8，2013通过对长距离输送管道无阀、普通阀、缓闭阀管路系统的停泵水锤计算比较，得出泵的去哪特性曲线数值差异对停泵水锤计算的影响并不大，相对应的曲线几乎重合；(3)当实用泵的比转速没有全特性资料时，无论采用通用公式法还是采用就近取用先用泵全特性去进行数据计算，结果差别不大。