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【摘 要】 随着我国经济的高速发展，投资建设项目日益增加，水利工程建设规模不断扩大。本文通过结合实践经验，主要对水泵模型试验过程遇到的问题进行探讨与分析。阐述了在水利工程建设中管理内容和一些注意事项，希冀对同行或类似的工程有一些参考及借鉴。
【关键词】 水泵模型；试验研究；分析
前言：
按照2010年6月7日省南水北调局组织的水力电机技术研究及模型通用试验资质咨询会意见，进口段泵站水泵模型试验在中水北方勘测设计研究有限责任公司水泵模型通用试验台上进行，针对引江济汉进口段泵站设计参数，专家建议优先选用水泵模型型号为ZM315—1250PJ07，同台测试编号TJ04—ZL—07，认为该模型的特征扬程和名义比转速十分接近进口段泵站水泵选型设计参数。同年12月7日模型试验开始，先后进行了4次试验，至2011年1月16日结束，最终水泵模型试验装置及性能参数满足了合同技术规范要求的保证值，本文主要对模型试验过程遇到的问题进行探讨与分析。
1、进口段泵站工程概况
南水北调中线一期引江济汉工程进口段泵站位于湖北省荆州市李埠镇长江左岸荆江大堤桩号773+100，渠首桩号：2+350～2+800。泵站设计提水规模近期200m3/s（远期250m3/s）；设计净扬程（近期）3.20m，最高净扬程3.24m，最低净扬程0.0m，平均净扬程2.39m，远期净扬程4.29m，泵站设计以近期为主，并兼顾远期提水规模和条件。主泵确定为3400ZLQ40-3.2液压全调节立式轴流泵，总装机容量2800KW×7台=16800kw（其中土建部分备用机1台）。水泵叶轮直径3360mm；额定转速125r/min，单机流量40m3/s。配TL2800-48/10kv立式同步动机，单机功率2800kw。水泵安装高程23.05m，泵站设计进口最低水位27.63m。泵装置为优化后的肘型进水流道和低驼峰式出水流道。进口段泵站是引江济汉工程采用明渠自流、结合泵站抽水形式的关键性工程，也是引江济汉工程标志性建筑。
表1-1 进口段泵站运行特征水位
运行分期 初期 近期 远期
泵站流量 200m3/s 200m3/s 250m3/s
进水池水位（m）
最高水位 43.00 43.00 43.00
最高工作水位 31.80 31.80 32.10
设计水位 29.68 28.57 27.81
最低水位 29.61 28.53 27.78
加权平均水位 29.31 28.63
出水池水位（m）
最高水位 44.10 44.10 44.10
最高工作水位 33.48 33.48 31.95
设计水位 31.65 31.65 31.95
最低水位 29.87 29.87
加权平均水位 31.51 31.79
进口段泵站特征扬程参数如下：
设计净扬程：初期2.05m、近期3.20m、远期4.29m；
最高净扬程：初期2.15m、近期3.24m、远期4.32m；
最低净扬程均为0；
平均净扬程：近期2.39m、远期3.37m
2、模型试验装置及试验台
2.1模型试验装置
根据引江济汉工程进口段泵站性能参数，选定南水北调同台测试ZM315-1250PJ07号模型作为其水力模型，初步选定原型水泵叶轮直径3360mm，转速125r/min。泵段模型由叶轮、外壳、导叶体、弯管和泵轴等组成。模型叶轮直径300mm，按1/11.2的比例以及几何相似的原则制模。叶片可调，除弯管为铸件外，其余均为钢质。叶轮外壳装有透明材料。
模型叶轮及导叶体技术参数：叶轮直径DM为300mm，叶轮叶片数3片；轮毂直径为175mm，轮毂比0.5833（dh/D）；叶片间隙0.15mm，试验转速n为1450r/min，导叶数5片。
水泵装置模型除水泵段外还包括进、出水流道，按水泵试验模型同一比例、几何相似的原则制模。进、出水流道口断面距叶轮中心分别为1209mm和1826mm，总长3035mm。进、出水流道除肘型进水流道的方管部分为焊接件外，其余均为铸造件，分别装有透明材料。
2.2模型试验台
水泵模型装置试验选用的试验台为中水北方勘测设计研究有限责任公司水力模型通用试验台，该试验台于2004年7月20日通过了由水利部组织的技术鉴定，试验台效率综合允许不确定度优于±0.3%，随机不确定度在±0.1%以内，综合技术指标居国内领先水平，是目前我国唯一经水利部会同国家质量监督检验检疫总局、国务院南水北调工程建设委员会办公室（三部委）检验合格的试验台。
3、水泵装置模型试验
3.1试验项目
根据合同约定模型试验的内容主要项目有：水泵各叶片角度性能试验（效率、流量、扬程、轴功率）、水泵各葉片角度汽蚀试验、飞逸特性试验、全特性试验（绘制四象限特性曲线）、压力脉动试验、力特性试验等。
3.2水泵装置模型试验有关规程和标准
（1）SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规范》
（2）IEC60193-1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》
3.3试验方法
在试验前，模型泵在额定工况点运转30分钟以上（模型泵电机为直流无极变速），排除循环系统中游离气体，其间应检查泵的轴承、密封、噪声和振动情况。性能试验在无空化条件下进行。试验测点合理分布在整个性能曲线上，试验前进行各测量传感器调零。试验曲线试验点数不少于15个，试验转速为1450r/min，零流量和小流量试验采用转速降至750r/min进行，试验结果将试验转速统一换算到1416.7r/min。试验工况稳定后试验系统在无任何人为干扰条件下连续进行三次测试，每次测试时间为30秒，三次测试效率最大值与最小值之差应小于0.3%，否则需重新进行测试，取三次测量的中间值作为最后测试结果，打印、存盘。试验流量由大到小顺序进行，试验从大流量点开始，一直进行至零流量结束。 水泵空载机械损失转矩在带叶轮、泵轴系在空气中旋转条件下进行测试。
效率计算公式：
η=P水/P轴=r×QM×HM/（M×ω）=30×r×QM×HM/π×M×n
式中：
P水：模型泵的水力功率 kW
P轴：模型泵轴的输入功率 kW
QM：通過模型泵的流量 m3/s
HM：模型泵的扬程 m
R：水的重度 N/m3
M：模型泵轴传递的力矩 N·m
ω：模型泵轴旋转角速度 rad/s
n：模型泵的试验转速 r/min
图3-2 水泵模型装置
3.4试验结果
按照试验规范约定和上述试验方法，先后进行了4次试验，试验结果如下：
表3-1 历次试验的结果
试验次数 叶片安装角 扬程 流量 效率
第1次 θ=-40 H=3.35m Q=248L/s η=73.85%
第2次 θ=-40 H=3.35m Q=249L/s η=73.88%
第3次 θ=-40 H=3.35m Q=251L/s η=74.10%
第4次 θ=-40 H=3.20m Q=291L/s η=75.40%
4、试验探讨与分析
首次试验于2010年10月17日进行，试验用的7#叶轮为一旧叶轮，叶片为铜质、可调，表面较粗糙，装配后叶片与叶轮外壳间隙过大，且其中有一片叶片有损印，试验时未进行处理，试验结果不满足合同技术规范要求的保证值。经分析主要原因是叶片表面质量差，叶轮与外壳间隙过大（经测量单边最大间隙0.25mm～0.30mm，按照SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规范》为0.15mm），且叶轮室与导叶体存在不同心等问题。
根据上述试验情况，对模型泵装置进行技术处理：（1）对叶片间隙调整。采用在叶片外缘以锡焊从径向方向加厚以减小与外壳的间隙量，保证单边间隙在0.15mm以内；（2）提高叶片和导叶体表面质量，对其进行了人工打磨和一般性技术处理。（3）提高模型装置水平、垂直度和叶轮同心。经技术处理后的模型装置于11月12日进行了第2次模型试验，但试验结果基本无变化，不满足要求。
随后重新更换叶轮、导叶体两个主要部件，进行了第三次试验，新叶轮主要解决叶片外缘间隙过大使之符合《水泵模型及装置模型验收试验规程》的要求，表面糙率较小，试验结果显示，效率略高于原模型叶轮的0.2～0.3个百分点（最高点效率为74.1%），仍然不能满足合同技术规范要求的保证值。
鉴于前几次试验的情况，决定对模型试验装置进行优化修改，并按照优化设计重新加工制造叶轮、叶轮外壳和导叶体，并对进、出水流道过流断面进行打磨、喷涂（树脂）。与前几次相比，此次系统的对模型装置进行优化、匹配，各主要部件结构尺寸及表面质量较好，其叶片型线更适合且叶片经手工打磨表面粗糙度明显好于旧叶轮；叶轮及外壳加工精度高，叶轮与外壳间隙更小，更均匀，最大为0.08mm，局部0.05mm（是这次模型试验装置修改后最主的要特点之一）；进、出水流道更光滑，水力损失更小。
通过上述优化设计和精心组织，第4次试验顺利完成，各项性能参数完全满足合同要求。引江济汉工程进口段泵站水泵模型综合特性曲线如下图：
图4-1 引江济汉工程进口段泵站水泵模型综合特性曲线
5、结论
通过上述试验情况的对比，我们发现水泵模型试验是对整个模型装置设计、制造及安装的系统综合检验，特别强调单个部件对水泵的性能的影响作用不大，只有将水泵各主要部件进行系统优化设计，并按要求进行制造、安装，水泵的性能才能满足要求，各环节不可或缺。目前引江济汉工程进口段水泵机组设备已按上述试验成果完成了厂内制造，现场安装工作也已基本完成。
水利施工工程管理和质量控制作为我国项目建设工作的重要支柱，必须加大推广与监管，这关系到我国以后在工程项目建设的发展前程。水利工程投资大、建设周期长，涉及主体多。加强水利工程施工管理与质量控制，对于工程来说是至关重要的。只有把各项工程施工管理与质量控制措施切实落实到位，才能更好的为国民经济建设服务。
参考文献：
[1]南水北调中线一期引江济汉工程进口段泵站泵组及其附属设备采购合同文件技术条款
[2]南水北调中线引江济汉工程水泵装置模型试验报告
[3] SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规范》
[4] IEC60193-1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》
作者简介：
1、余红枚，女，1987年2月生，本科，湖北省引江济汉工程管理局。
2、袁国成，男，1985年4月生，湖北省引江济汉工程管理局3、袁国玉，男，1984年10月生，工学学士，湖北省引江济汉工程管理局，主要从事机电设备管理与相关研究工作。
4、王丽，女，1984年10月生，工学学士，现在江汉众力实业有限公司工作，主要从事机械设计、制造及加工工艺研究工作。
【关键词】 水泵模型；试验研究；分析
前言：
按照2010年6月7日省南水北调局组织的水力电机技术研究及模型通用试验资质咨询会意见，进口段泵站水泵模型试验在中水北方勘测设计研究有限责任公司水泵模型通用试验台上进行，针对引江济汉进口段泵站设计参数，专家建议优先选用水泵模型型号为ZM315—1250PJ07，同台测试编号TJ04—ZL—07，认为该模型的特征扬程和名义比转速十分接近进口段泵站水泵选型设计参数。同年12月7日模型试验开始，先后进行了4次试验，至2011年1月16日结束，最终水泵模型试验装置及性能参数满足了合同技术规范要求的保证值，本文主要对模型试验过程遇到的问题进行探讨与分析。
1、进口段泵站工程概况
南水北调中线一期引江济汉工程进口段泵站位于湖北省荆州市李埠镇长江左岸荆江大堤桩号773+100，渠首桩号：2+350～2+800。泵站设计提水规模近期200m3/s（远期250m3/s）；设计净扬程（近期）3.20m，最高净扬程3.24m，最低净扬程0.0m，平均净扬程2.39m，远期净扬程4.29m，泵站设计以近期为主，并兼顾远期提水规模和条件。主泵确定为3400ZLQ40-3.2液压全调节立式轴流泵，总装机容量2800KW×7台=16800kw（其中土建部分备用机1台）。水泵叶轮直径3360mm；额定转速125r/min，单机流量40m3/s。配TL2800-48/10kv立式同步动机，单机功率2800kw。水泵安装高程23.05m，泵站设计进口最低水位27.63m。泵装置为优化后的肘型进水流道和低驼峰式出水流道。进口段泵站是引江济汉工程采用明渠自流、结合泵站抽水形式的关键性工程，也是引江济汉工程标志性建筑。
表1-1 进口段泵站运行特征水位
运行分期 初期 近期 远期
泵站流量 200m3/s 200m3/s 250m3/s
进水池水位（m）
最高水位 43.00 43.00 43.00
最高工作水位 31.80 31.80 32.10
设计水位 29.68 28.57 27.81
最低水位 29.61 28.53 27.78
加权平均水位 29.31 28.63
出水池水位（m）
最高水位 44.10 44.10 44.10
最高工作水位 33.48 33.48 31.95
设计水位 31.65 31.65 31.95
最低水位 29.87 29.87
加权平均水位 31.51 31.79
进口段泵站特征扬程参数如下：
设计净扬程：初期2.05m、近期3.20m、远期4.29m；
最高净扬程：初期2.15m、近期3.24m、远期4.32m；
最低净扬程均为0；
平均净扬程：近期2.39m、远期3.37m
2、模型试验装置及试验台
2.1模型试验装置
根据引江济汉工程进口段泵站性能参数，选定南水北调同台测试ZM315-1250PJ07号模型作为其水力模型，初步选定原型水泵叶轮直径3360mm，转速125r/min。泵段模型由叶轮、外壳、导叶体、弯管和泵轴等组成。模型叶轮直径300mm，按1/11.2的比例以及几何相似的原则制模。叶片可调，除弯管为铸件外，其余均为钢质。叶轮外壳装有透明材料。
模型叶轮及导叶体技术参数：叶轮直径DM为300mm，叶轮叶片数3片；轮毂直径为175mm，轮毂比0.5833（dh/D）；叶片间隙0.15mm，试验转速n为1450r/min，导叶数5片。
水泵装置模型除水泵段外还包括进、出水流道，按水泵试验模型同一比例、几何相似的原则制模。进、出水流道口断面距叶轮中心分别为1209mm和1826mm，总长3035mm。进、出水流道除肘型进水流道的方管部分为焊接件外，其余均为铸造件，分别装有透明材料。
2.2模型试验台
水泵模型装置试验选用的试验台为中水北方勘测设计研究有限责任公司水力模型通用试验台，该试验台于2004年7月20日通过了由水利部组织的技术鉴定，试验台效率综合允许不确定度优于±0.3%，随机不确定度在±0.1%以内，综合技术指标居国内领先水平，是目前我国唯一经水利部会同国家质量监督检验检疫总局、国务院南水北调工程建设委员会办公室（三部委）检验合格的试验台。
3、水泵装置模型试验
3.1试验项目
根据合同约定模型试验的内容主要项目有：水泵各叶片角度性能试验（效率、流量、扬程、轴功率）、水泵各葉片角度汽蚀试验、飞逸特性试验、全特性试验（绘制四象限特性曲线）、压力脉动试验、力特性试验等。
3.2水泵装置模型试验有关规程和标准
（1）SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规范》
（2）IEC60193-1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》
3.3试验方法
在试验前，模型泵在额定工况点运转30分钟以上（模型泵电机为直流无极变速），排除循环系统中游离气体，其间应检查泵的轴承、密封、噪声和振动情况。性能试验在无空化条件下进行。试验测点合理分布在整个性能曲线上，试验前进行各测量传感器调零。试验曲线试验点数不少于15个，试验转速为1450r/min，零流量和小流量试验采用转速降至750r/min进行，试验结果将试验转速统一换算到1416.7r/min。试验工况稳定后试验系统在无任何人为干扰条件下连续进行三次测试，每次测试时间为30秒，三次测试效率最大值与最小值之差应小于0.3%，否则需重新进行测试，取三次测量的中间值作为最后测试结果，打印、存盘。试验流量由大到小顺序进行，试验从大流量点开始，一直进行至零流量结束。 水泵空载机械损失转矩在带叶轮、泵轴系在空气中旋转条件下进行测试。
效率计算公式：
η=P水/P轴=r×QM×HM/（M×ω）=30×r×QM×HM/π×M×n
式中：
P水：模型泵的水力功率 kW
P轴：模型泵轴的输入功率 kW
QM：通過模型泵的流量 m3/s
HM：模型泵的扬程 m
R：水的重度 N/m3
M：模型泵轴传递的力矩 N·m
ω：模型泵轴旋转角速度 rad/s
n：模型泵的试验转速 r/min
图3-2 水泵模型装置
3.4试验结果
按照试验规范约定和上述试验方法，先后进行了4次试验，试验结果如下：
表3-1 历次试验的结果
试验次数 叶片安装角 扬程 流量 效率
第1次 θ=-40 H=3.35m Q=248L/s η=73.85%
第2次 θ=-40 H=3.35m Q=249L/s η=73.88%
第3次 θ=-40 H=3.35m Q=251L/s η=74.10%
第4次 θ=-40 H=3.20m Q=291L/s η=75.40%
4、试验探讨与分析
首次试验于2010年10月17日进行，试验用的7#叶轮为一旧叶轮，叶片为铜质、可调，表面较粗糙，装配后叶片与叶轮外壳间隙过大，且其中有一片叶片有损印，试验时未进行处理，试验结果不满足合同技术规范要求的保证值。经分析主要原因是叶片表面质量差，叶轮与外壳间隙过大（经测量单边最大间隙0.25mm～0.30mm，按照SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规范》为0.15mm），且叶轮室与导叶体存在不同心等问题。
根据上述试验情况，对模型泵装置进行技术处理：（1）对叶片间隙调整。采用在叶片外缘以锡焊从径向方向加厚以减小与外壳的间隙量，保证单边间隙在0.15mm以内；（2）提高叶片和导叶体表面质量，对其进行了人工打磨和一般性技术处理。（3）提高模型装置水平、垂直度和叶轮同心。经技术处理后的模型装置于11月12日进行了第2次模型试验，但试验结果基本无变化，不满足要求。
随后重新更换叶轮、导叶体两个主要部件，进行了第三次试验，新叶轮主要解决叶片外缘间隙过大使之符合《水泵模型及装置模型验收试验规程》的要求，表面糙率较小，试验结果显示，效率略高于原模型叶轮的0.2～0.3个百分点（最高点效率为74.1%），仍然不能满足合同技术规范要求的保证值。
鉴于前几次试验的情况，决定对模型试验装置进行优化修改，并按照优化设计重新加工制造叶轮、叶轮外壳和导叶体，并对进、出水流道过流断面进行打磨、喷涂（树脂）。与前几次相比，此次系统的对模型装置进行优化、匹配，各主要部件结构尺寸及表面质量较好，其叶片型线更适合且叶片经手工打磨表面粗糙度明显好于旧叶轮；叶轮及外壳加工精度高，叶轮与外壳间隙更小，更均匀，最大为0.08mm，局部0.05mm（是这次模型试验装置修改后最主的要特点之一）；进、出水流道更光滑，水力损失更小。
通过上述优化设计和精心组织，第4次试验顺利完成，各项性能参数完全满足合同要求。引江济汉工程进口段泵站水泵模型综合特性曲线如下图：
图4-1 引江济汉工程进口段泵站水泵模型综合特性曲线
5、结论
通过上述试验情况的对比，我们发现水泵模型试验是对整个模型装置设计、制造及安装的系统综合检验，特别强调单个部件对水泵的性能的影响作用不大，只有将水泵各主要部件进行系统优化设计，并按要求进行制造、安装，水泵的性能才能满足要求，各环节不可或缺。目前引江济汉工程进口段水泵机组设备已按上述试验成果完成了厂内制造，现场安装工作也已基本完成。
水利施工工程管理和质量控制作为我国项目建设工作的重要支柱，必须加大推广与监管，这关系到我国以后在工程项目建设的发展前程。水利工程投资大、建设周期长，涉及主体多。加强水利工程施工管理与质量控制，对于工程来说是至关重要的。只有把各项工程施工管理与质量控制措施切实落实到位，才能更好的为国民经济建设服务。
参考文献：
[1]南水北调中线一期引江济汉工程进口段泵站泵组及其附属设备采购合同文件技术条款
[2]南水北调中线引江济汉工程水泵装置模型试验报告
[3] SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规范》
[4] IEC60193-1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》
作者简介：
1、余红枚，女，1987年2月生，本科，湖北省引江济汉工程管理局。
2、袁国成，男，1985年4月生，湖北省引江济汉工程管理局3、袁国玉，男，1984年10月生，工学学士，湖北省引江济汉工程管理局，主要从事机电设备管理与相关研究工作。
4、王丽，女，1984年10月生，工学学士，现在江汉众力实业有限公司工作，主要从事机械设计、制造及加工工艺研究工作。