蘇詩雅,王帥,孫曉琴,王春堂*

1.聊城市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局,山東聊城252000

2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安271018

進(jìn)排氣閥式自動(dòng)密封真空水箱充水設(shè)備的研制

蘇詩雅1,王帥2,孫曉琴2,王春堂2*

1.聊城市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局,山東聊城252000

2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安271018

為了解決泵站充水問題，研制了進(jìn)排氣閥式自動(dòng)密封真空水箱充水設(shè)備。該設(shè)備依據(jù)負(fù)壓平衡原理，利用進(jìn)排氣閥完成了水箱的自動(dòng)開啟和自動(dòng)密封，實(shí)現(xiàn)了水泵的自動(dòng)充水和水箱的自動(dòng)補(bǔ)水，使水泵既省去了進(jìn)水管底閥，又省去真空泵充水系統(tǒng)。

泵站;真空水箱;充水設(shè)備;管路設(shè)計(jì)

泵站作為重要的基礎(chǔ)工程，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，水泵作為通用機(jī)械，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各部門以及城鄉(xiāng)居民的日常生活中。多數(shù)離心泵泵站為減少基礎(chǔ)埋深，利于施工、通風(fēng)、采光、防潮和防止地下水影響，水泵一般采用正值安裝高度，通常水泵運(yùn)行前其內(nèi)沒有充滿水，若直接啟動(dòng)，水泵無法正常工作。所以，正值安裝高度的離心式水泵，在啟動(dòng)前需要充水（俗稱灌泵）。

目前，小型的或不經(jīng)常使用的離心泵泵站，特別是廣大農(nóng)村，在灌溉作物時(shí)，水泵經(jīng)常采用流動(dòng)式運(yùn)行方式，由于沒有可用的電源，多數(shù)采用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力，無法使用真空泵充水系統(tǒng)進(jìn)行充水，只能在水泵進(jìn)水管口安裝底閥（蓮蓬頭），采用人工方式為水泵充水[1]，致使勞動(dòng)強(qiáng)度大。同時(shí)，由于底閥處水頭損失較大，降低了泵站運(yùn)行效率，且有時(shí)會(huì)時(shí)常出現(xiàn)底閥關(guān)閉不嚴(yán)或無法關(guān)閉的現(xiàn)象，致使底閥漏水，不能完成水泵充水的需要，使用不方便，使水泵充水變得比較困難。

上述充水方式的改進(jìn)形式為水上式底閥充水方式[2]，即將底閥由進(jìn)水管口移至進(jìn)水管中間適宜的位置，但它需要有足夠長(zhǎng)的進(jìn)水管道，才能完成水泵充水過程，而且，底閥的存在致使水頭損失增加，降低了泵站運(yùn)行效率。

為減小底閥帶來的能量損失，改進(jìn)的方法是進(jìn)水管上不設(shè)底閥，對(duì)于小型泵站可采用真空水箱方法充水[3]，具體方法是將真空水箱裝置在進(jìn)水管上，這樣進(jìn)水管形狀變得復(fù)雜，這樣就改變了水流流態(tài)，造成了能量損失，亦降低了泵站的運(yùn)行效率。

目前，泵站較多地采用真空泵充水系統(tǒng)充水[1-4]，進(jìn)水管上去掉了底閥，減小了此處水頭損失，提高了泵站運(yùn)行效率，且自動(dòng)化程度高。但真空泵機(jī)組需要有專門的配電系統(tǒng)，每次水泵充水都需要啟動(dòng)真空泵機(jī)組，需要消耗一定能量。它主要使用于大、中型的電力泵站。此外，還有手動(dòng)泵充水法、射流泵充水法、水泵從壓水管引水[5,6]等方法，也都存在一定的不足。

為此，本文研制了泵站進(jìn)排氣閥式自動(dòng)密封真空水箱充水設(shè)備。該設(shè)備既省去了底閥，又省去了真空泵抽氣系統(tǒng)，使用方便、靈活，滿足了現(xiàn)實(shí)需要，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 設(shè)備構(gòu)成

如圖1所示，泵站進(jìn)排氣閥式自動(dòng)密封真空水箱充水設(shè)備，由充水排氣管4、閘閥5、支架6、水箱7、水位計(jì)8、灌水孔9、進(jìn)排氣閥10、排氣補(bǔ)水管13、閘閥14等組成；水箱7固定在支架6上，支架6固定在泵房地面上，水箱7底部要高于進(jìn)水管2和水泵15最頂部一定高度；水箱7通過充水排氣管4與水泵進(jìn)水管最頂點(diǎn)連接；排氣補(bǔ)水管13上端與水箱7連通，下端與水泵15最頂部的水泵灌水孔連接，上面安裝有閘閥14；進(jìn)排氣閥10安裝在水箱7最上部；水箱7上安裝水位計(jì)8，水位計(jì)8上、下兩端均與水箱7內(nèi)腔連通；水箱7頂部設(shè)置有灌水孔9，用孔蓋密封，在孔蓋與水箱體之間加裝密封墊。在此設(shè)計(jì)情況下，可將原來進(jìn)水管與水泵進(jìn)口之間的偏心漸縮管改進(jìn)為安裝正心漸縮管，盡量保證水流狀態(tài)的穩(wěn)定。

圖1 泵站進(jìn)排氣閥式自動(dòng)密封真空水箱充水設(shè)備示意圖Fig.1Aschematic diagram showing the design of full water equipment of self-sealing vacuum water tank

2 工作原理

2.1 水泵充水過程

第一次使用時(shí)，先將充水排氣管閘閥5關(guān)閉，打開灌水孔9，向水箱7灌水，直到灌滿為止，完成后將灌水孔9封閉。水泵工作前，關(guān)閉水泵出水管閘閥16，打開充水排氣管閘閥5，水在重力作用下，通過充水排氣管4自動(dòng)灌入水泵15及水泵進(jìn)水管2、水泵出水管閘閥前的水泵出水管內(nèi)，隨著水箱7中水位下降，箱中壓強(qiáng)減小，在重力和外面大氣壓作用下進(jìn)排氣閥10自動(dòng)關(guān)閉，水箱自動(dòng)轉(zhuǎn)變成為真空水箱，形成一定的真空。隨著進(jìn)水管及水泵內(nèi)腔、水泵出水管閘閥前的水泵出水管中水位不斷上升，其內(nèi)部氣體通過充水排氣管4及排氣補(bǔ)水管13被排入水箱上部。由于充水排氣管4連接在進(jìn)水管最頂點(diǎn)處、排氣補(bǔ)水管13連接在水泵最頂部，所以，進(jìn)水管及水泵中的氣體會(huì)全部排入水箱中。當(dāng)水泵進(jìn)水管、水泵內(nèi)腔全部充滿水后，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)達(dá)到一種真空平衡狀態(tài)，此時(shí)水箱7中水位不再下降，這樣就完成了水泵充水過程，將充水排氣管閘閥5關(guān)閉，即可啟動(dòng)水泵。

2.2 水箱補(bǔ)水過程

水泵啟動(dòng)后，一部分水通過排氣補(bǔ)水管13將水輸入到水箱7中，由于水體的增加，使水箱中的氣體壓力升高，氣體經(jīng)進(jìn)排氣閥10向外排出；隨著水箱中水位的不斷升高，浮體11被逐漸浮起，水箱中充滿水時(shí)進(jìn)排氣閥10自動(dòng)關(guān)閉，完成水箱補(bǔ)水過程，以備下次水泵充水使用。

以后每次水泵充水時(shí)，可直接由閘閥控制，即把閘閥5打開時(shí)，水會(huì)自動(dòng)流入水泵進(jìn)水管、水泵內(nèi)腔中，自動(dòng)完成水泵充水任務(wù)；當(dāng)水泵啟動(dòng)后，又會(huì)自動(dòng)完成向水箱中的補(bǔ)水任務(wù)，這樣，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)了泵站的充水。

灌水孔9用孔蓋密封，在孔蓋與箱體之間加裝密封墊，用螺栓固定。需要檢修水箱內(nèi)部時(shí)，可將充水排氣管閘閥5打開，將水放空。水箱體積較大時(shí)，灌水孔9可兼作人孔。

3 操作步驟

（1）關(guān)閉充水排氣管閘閥5和排氣補(bǔ)水管閘閥14，通過灌水孔9，向水箱7中灌滿水，之后用孔蓋封閉灌水孔。

（2）關(guān)閉水泵出水管閘閥16，使閘閥16前的出水管、水泵內(nèi)腔及進(jìn)水管形成一密閉空腔。

（3）打開閘閥5、14，水箱7中的水在重力作用下，通過充水排氣管4自動(dòng)灌入水泵進(jìn)水管2、水泵15內(nèi)及閘閥16前的出水管中，其中的氣體會(huì)從排氣補(bǔ)水管13及充水排氣管4排入水箱7中；

（4）觀察水位計(jì)8中水位，若不再下降，說明水泵充滿水后，完成也水泵充水過程，將閘閥5關(guān)閉，即可啟動(dòng)水泵15。

（5）啟動(dòng)水泵。水泵啟動(dòng)后，一部分水通過排氣補(bǔ)水管13將水輸入到水箱7中，隨著水箱7中水位的不斷升高，水箱7上部氣體由進(jìn)排氣閥10排出，水箱充滿水后，進(jìn)排氣閥10自動(dòng)關(guān)閉，完成水箱補(bǔ)水過程，以備下次水泵充水使用。

（6）水泵正常工作后，將閘閥14關(guān)閉，以防止水箱在泵站發(fā)生水錘時(shí)破壞。

（7）以后再啟動(dòng)水泵時(shí)，重復(fù)上述步驟，即可完成水泵15的充水及水箱7的補(bǔ)水，周而復(fù)始，即可實(shí)現(xiàn)水泵的充水。

4 設(shè)備的特點(diǎn)

（1）將進(jìn)排氣閥布置在水箱頂部，在水箱補(bǔ)水過程中，可使水箱內(nèi)所有氣體排出，有效地減小了水箱的體積，降低了造價(jià)，減小了占用空間，便于設(shè)備的布置、安裝；

（2）只在水箱和水泵進(jìn)水管最頂點(diǎn)之間設(shè)置一條充水排氣管4，即可將水泵進(jìn)水管中的所有氣體排出，同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)進(jìn)水管的充水。使得水泵進(jìn)水管的設(shè)計(jì)具有了任意性，很好地解決了目前要求水泵進(jìn)水管為水平安裝或有一向上傾斜安裝的問題；

（3）在水箱與水泵頂點(diǎn)（水泵灌水孔）設(shè)置一條排氣補(bǔ)水管13，能充分將水泵內(nèi)腔的所在氣體排出，保證了水泵的充水。同時(shí)，完成了水箱的補(bǔ)水任務(wù)，為水泵下次充水做好了準(zhǔn)備。解決了水箱與水泵及其管路之間的連接管路較復(fù)雜，占有空間較多，影響美觀的問題。

（4）本設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作、安裝、使用靈活、安全、方便，實(shí)現(xiàn)了水泵的自動(dòng)充水，同時(shí)，提高了泵站運(yùn)行效率?？墒褂糜陔娏Ρ谜竞蛢?nèi)燃機(jī)泵站等各類泵站，特別更適用于流動(dòng)式泵站，很好地解決了泵站充水的問題。

5 結(jié)語

該泵站進(jìn)排氣閥式自動(dòng)密封真空水箱充水設(shè)備的研制，很好地解決了水泵充水問題，既省去了底閥，又省去了真空泵機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了水泵的自動(dòng)充水和泵站的節(jié)能運(yùn)行。在本充水設(shè)備條件下，仍然把水泵進(jìn)水管與水泵進(jìn)口之間的連接用偏心漸縮管設(shè)計(jì)成正心漸縮管，改善了水泵進(jìn)口處水流流態(tài)，提高了泵站運(yùn)行效率及水泵的抗氣蝕性能。同時(shí)，改變了泵站進(jìn)水管路的設(shè)計(jì)理念，使進(jìn)水管設(shè)計(jì)具有了很好的靈活性，是對(duì)泵站設(shè)計(jì)的改進(jìn)，為泵站設(shè)計(jì)及技術(shù)改造，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]王福軍.水泵與水泵站[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2005

[2]姜乃昌.水泵及水泵站[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001

[3]欒鴻儒.水泵及水泵站[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2002

[4]劉竹溪,劉景植.水泵及水泵站[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006

[5]李亞峰,李清雪,吳永強(qiáng).水泵及水泵站[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009

[6]張景成,張立秋.水泵及水泵站[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006

The Development of Full Water Equipment of Self-sealing Vacuum Water Tank Based on Air Intake and Evacuation Valve in Pump Station

SU Shi-ya1,WANG Shuai2,SUN Xiao-qin2,WANG Chun-tang2*
1.Liaocheng City Administration of South-to-north Water Transfer Project Construction,Liaocheng 252000,China
2.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai'an 271018,China

In order to solve the full water problems in pumps,this paper designed a full water equipment of self-sealing vacuum water tank based on air intake and evacuation value.It was designed according to the negative pressure balance principle to achieve automatic open and self-sealing water tank by way of the air intake and evacuation valve and it resulted in being automatic full water and supplement water.As a result,it not only led out the water inlet bottom value of water pump but also the full water system of vacuum pump.

Pump station;vacuum water tank;full water equipment;piping design

TU822+.2

A

1000-2324(2015)05-0744-03

2014-10-22

2014-11-04

山東省重大水利科研及技術(shù)推廣項(xiàng)目(SDSLKY201224)

蘇詩雅(1989-),女,本科,助理工程師,主要從事泵站技術(shù)、節(jié)水技術(shù)研究.E-mail:sushiya@126.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:cht.w@163.com