邵懷豪,胡宏潤,亓越樊,李雨霏,李博雯,劉力華,王春堂*

水泵站自動充水水箱試驗(yàn)研究

邵懷豪1,胡宏潤1,亓越樊1,李雨霏1,李博雯1,劉力華2,王春堂1*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 山東泰安建筑工程集團(tuán)有限公司, 山東 泰安 271018

為了解決水泵充水問題，本文研發(fā)了水力自動真空水箱充水裝置，并對此裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過模型試驗(yàn)，分析探討了水泵充水量與水泵和真空水箱相對高差、水泵和進(jìn)水池相對高差的關(guān)系，進(jìn)而確定不同條件下水泵的實(shí)際充水量。試驗(yàn)結(jié)果顯示：水泵的充水量會隨著真空水箱的抬高或者進(jìn)水池水位的上升而逐漸減少，并結(jié)合試驗(yàn)得出水泵實(shí)際充水量的計(jì)算公式。

泵站; 真空水箱; 設(shè)計(jì)

正值安裝高度的水泵在啟動前，若不充滿水，泵內(nèi)會殘留一定量的空氣，葉輪只能帶動空氣旋轉(zhuǎn)，又因空氣單位體積的質(zhì)量很小，產(chǎn)生的慣性離心力甚小，無力把泵和管路中的空氣排出，即水泵達(dá)不到一定的真空狀態(tài)，導(dǎo)致水泵容易產(chǎn)生振動，抽不上水，更談不上水泵的輸水了[1,4]?，F(xiàn)階段，水泵充水裝置主要有：水環(huán)式真空泵充水、人工手動充水、射流泵充水等。大、中型泵站多采用水環(huán)式真空泵充水[5]，但其耗費(fèi)投資較高，耗能較大，且需要配電，在野外無法實(shí)現(xiàn)，并會增加泵房的占地面積[1,2]。在廣大的農(nóng)村，農(nóng)民在灌溉作物時(shí)，需要不斷移動水泵，大多數(shù)情況下是沒有電源的，所以農(nóng)民多采用內(nèi)燃機(jī)作為動力，并且無法使用真空泵來進(jìn)行充水排氣，采用的方式為人為人工手動充水，該方法需要在進(jìn)水管管口處設(shè)立蓮蓬頭等單向閥，會造成大量的水頭損失，降低效率，且易漏水，消耗大量勞動力[6]。

針對以上問題，本文研發(fā)了一種水力自動真空水箱充水裝置，主要由水泵機(jī)組、真空水箱、進(jìn)排氣閥等組成。裝置充分利用真空水箱形成的真空原理，實(shí)現(xiàn)了水箱和泵腔之間的水氣置換，完成灌泵需要。其具有以下多種優(yōu)點(diǎn)：（1）有效地解決了水泵自動化充水問題，既省去了底閥，又省去了真空泵機(jī)組，并且能夠很好地實(shí)現(xiàn)泵站的節(jié)能運(yùn)行，適用于中小型離心泵泵站；（2）有效地解決了農(nóng)業(yè)日常灌溉、移動式泵站等無電源充水問題；（3）真空水箱只需要在第1次使用時(shí)灌滿水，在后續(xù)工作中，會自動為水箱補(bǔ)水供下次使用，實(shí)現(xiàn)水力自動循環(huán)；（4）同時(shí)呼應(yīng)新時(shí)代“環(huán)境水利，生態(tài)水利”，不會造成環(huán)境污染；（5）真空水箱制作簡單，投資較少，可以自行制造。水力自動真空水箱充水裝置為實(shí)現(xiàn)自動、節(jié)能、科學(xué)灌溉打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文采用理論分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析探討出：水泵的實(shí)際充水量會受到水泵和真空水箱相對高差、水泵和進(jìn)水池相對高差的影響，論證了水泵與真空水箱和進(jìn)水池的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算出水泵的實(shí)際充水量與理論充水量之間的修正系數(shù)，作出其變化的趨勢圖，推導(dǎo)出水泵實(shí)際充水量的計(jì)算公式，進(jìn)而確定真空水箱在不同條件下的最優(yōu)體積。

1 模型試驗(yàn)

1.1 組成和原理

如圖1所示，試驗(yàn)裝置包括透明水泵、透明真空水箱、進(jìn)排氣閥、充水排氣管、排氣補(bǔ)水管、進(jìn)水池、進(jìn)水管、出水管、電磁閥、電動機(jī)、風(fēng)扇、連接件等。透明水泵主要參數(shù)為：設(shè)計(jì)容積549.77mL，其作用是以便觀察在達(dá)到一定充水水位時(shí)，確保及時(shí)關(guān)閉閘閥，減少試驗(yàn)誤差；并觀察水泵在運(yùn)行過程中，泵內(nèi)真空狀況，若旋轉(zhuǎn)水流透明，則說明泵內(nèi)真空狀態(tài)良好；反之，則說明裝置局部進(jìn)氣，泵內(nèi)真空狀態(tài)較差。水泵配有200 kW的電動機(jī)，風(fēng)扇設(shè)在電動機(jī)下，以便降低電動機(jī)運(yùn)行溫度。透明真空水箱設(shè)計(jì)為圓柱形，主要參數(shù)為：底面面積149.5cm2、高度22.8cm，其作用是方便觀察箱內(nèi)水位變化，方便讀取試驗(yàn)前后真空水箱水位變化量，從而計(jì)算出水泵的實(shí)際充水量；并可以直接觀察進(jìn)排氣閥中的浮體上升與下降。管道采用內(nèi)徑12mm的透明橡膠軟管，使得管道更加容易調(diào)整與拆卸，方便觀察水流，開啟水泵時(shí)也可以減輕振動帶來的影響。閘閥采用電磁閥，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，及時(shí)關(guān)閉與打開閘閥，減少因手動關(guān)閥的快慢，而造成試驗(yàn)不必要的人為誤差。進(jìn)排氣閥主要由上浮體、連桿、下浮體、閥體組成，閥體為圓柱形，其內(nèi)部上下兩端設(shè)有弧形凹槽，弧形凹槽之間留有圓柱孔，連桿安裝在圓柱孔內(nèi)，連桿連接上浮體與下浮體，稱為浮體，浮體可以通過弧形凹槽堵住進(jìn)排氣閥，具體剖面圖如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

1-進(jìn)水管，2-充水排氣管，3-充水排氣管閘閥，4-排氣補(bǔ)水管，5-排氣補(bǔ)水管閘閥，6-真空水箱，7-進(jìn)排氣閥，8-浮體，9-出水管，10-出水管閘閥，11-水泵，12-電動機(jī)，13-風(fēng)扇，14-水泵機(jī)組底座，15-進(jìn)水池

圖2 進(jìn)排氣閥剖面圖

試驗(yàn)地點(diǎn)定于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水工實(shí)驗(yàn)大廳。利用水箱來模擬進(jìn)水池，以便調(diào)節(jié)水泵和進(jìn)水池相對高差；在運(yùn)行過程中，時(shí)刻為進(jìn)水池補(bǔ)水，從而保持進(jìn)水池溢流，用來固定水泵和進(jìn)水池水面的相對高差。

水力自動真空水箱充水裝置原理主要包括：真空工作原理與自動充水原理。真空工作原理：真空水箱通過充水排氣管在為水泵充水過程中，泵腔內(nèi)的氣體通過排氣補(bǔ)水管排出，隨著真空水箱中水位下降，箱內(nèi)壓強(qiáng)減小，浮體逐漸下移，當(dāng)浮體接觸到進(jìn)排氣閥閥體上端弧型凹槽時(shí)，進(jìn)排氣閥自動關(guān)閉，真空水箱自動密封達(dá)到真空狀態(tài)，即利用真空水箱實(shí)現(xiàn)泵腔內(nèi)的水氣置換，從而使水泵達(dá)到真空狀態(tài)，完成灌泵需要。自動充水原理：完成灌泵后，關(guān)閉充水排氣閥，開啟水泵，水流通過排氣補(bǔ)水管為真空水箱補(bǔ)水，隨著真空水箱中水位上升，箱內(nèi)壓強(qiáng)逐漸增加，浮體在壓力作用下，逐漸上移，進(jìn)排氣閥自動打開，氣體從縫隙中排出，當(dāng)真空水箱中水位上升到一定高度時(shí)，浮體在浮力作用下，逐漸上移，當(dāng)浮體接觸到進(jìn)排氣閥閥體下部弧型凹槽時(shí)，進(jìn)排氣閥自動關(guān)閉，從而防止真空水箱中水體溢出，此時(shí)完成自動化補(bǔ)水過程。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采取理論分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法。首先確定影響水泵實(shí)際充水量的兩個(gè)變量：變量1-水泵進(jìn)口和進(jìn)水池水面的相對高差、變量2-水泵進(jìn)口和真空水箱底板的相對高差。通過建立模型測定真空水箱試驗(yàn)前后水位，確定水泵實(shí)際充水量，推出水泵實(shí)際充水量與水泵理論充水量的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而確定兩種變量的修正系數(shù)，最終導(dǎo)出水泵實(shí)際充水量的計(jì)算公式。

試驗(yàn)共需量?。鹤兞?、變量2、進(jìn)水管空腔長度、真空水箱試驗(yàn)前后位變化量。共測定七組變量1，每一組變量1中有五組變量2，為了試驗(yàn)方便將其35組分別編號，編號如表1所示。測定變量1的方法為：固定水泵高程不變，通過改變進(jìn)水池水位，測得七組變量1為：63.85cm、53.95cm、45.65cm、34.35cm、26.55cm、14.93cm、4.35cm。測定進(jìn)水管空腔長度分別為：89.91cm，79.98cm，76.60cm，62.11cm、66.20cm、46.60cm。測定變量2的方法為：固定水泵高程不變，通過改變真空水箱高程，測得五組變量2為：23.55cm、26.95cm、30.55cm、34.30cm、38.15cm。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，測定試驗(yàn)前后真空水箱水位變化量的方法為：初次使用，先把6-真空水箱灌滿水后封堵；讀取6-真空水箱中初始水位，然后打開5-排氣補(bǔ)水閥和3-充水排氣閥，使水在重力作用下，通過2-充水排氣管為11-水泵充水；隨著真空水箱水位下降，箱內(nèi)壓強(qiáng)逐漸減小，7-進(jìn)排氣閥中的8-浮體會逐漸下移，直至11-水泵與1-進(jìn)水管中灌滿水時(shí)，8-浮體會堵住7-進(jìn)排氣閥，即不會再有水下落，關(guān)閉3-充水排氣閥，讀取6-真空水箱內(nèi)末時(shí)水位；開啟11-水泵，通過4-排氣補(bǔ)水管為6-真空水箱補(bǔ)水；隨著6-真空水箱中水位逐漸上升，箱內(nèi)壓強(qiáng)逐漸增加，8-浮體逐漸上移，直至6-真空水箱補(bǔ)滿水，8-浮體堵住7-進(jìn)排氣閥，真空水箱結(jié)束工作，關(guān)閉5-排氣補(bǔ)水閥，為下次充水做準(zhǔn)備；打開10-出水管閘閥，水流通過9-出水管出流，進(jìn)行灌溉等后續(xù)工作；關(guān)閉11-水泵后，計(jì)算末時(shí)水位與初始水位的差值，即得試驗(yàn)前后真空水箱水位變化量。每一組變量2中試驗(yàn)前后真空水箱水位變化量循環(huán)測定五到十次，以減少因偶爾裝置漏氣、讀數(shù)不準(zhǔn)等誤差，最終數(shù)據(jù)取平均值。

表1 試驗(yàn)編號

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 水泵與真空水箱相對高差的影響

從表2分析試驗(yàn)前后真空水箱水位變化量可得：在固定變量1——水泵進(jìn)口和進(jìn)水池水面相對高差時(shí)，逐漸抬高真空水箱的高程，會發(fā)現(xiàn)在七組不同變量1的條件下，試驗(yàn)前后真空水箱水位差在逐漸減少，即水泵的實(shí)際充水量逐漸減少。通過圖3觀察可得，每組斜率都較為接近，其每條線段斜率大小在-0.00363～-0.00774中變動。

究其原因是由于隨著水泵進(jìn)口和進(jìn)水池水面相對高差逐漸增大，系統(tǒng)的真空度在增加，裝置內(nèi)部的負(fù)壓越大，即與大氣壓的差值越大。進(jìn)水池水面壓力等于1個(gè)大氣壓，所以當(dāng)水泵充水時(shí)，真空度越大，絕對壓力越小，進(jìn)水管的水柱上升越快，即水泵實(shí)際充水量越??；反之，若水泵進(jìn)口和進(jìn)水池水面相對高差逐漸減小，水泵實(shí)際充水量就越大。并且真空度越大，后續(xù)通過排氣補(bǔ)水管為真空水箱補(bǔ)水時(shí)，其補(bǔ)水形成的水柱越連續(xù)、湍急。

表2 試驗(yàn)前后真空水箱水位變化量

圖3 不同水泵和真空水箱相對高差下測得水位變化量

2.2 水泵與進(jìn)水池相對高差的影響

從表2可以看出：在五組不同變量2——水泵進(jìn)口和真空水箱底板相對高差的條件下，倘若固定變量2，逐漸降低進(jìn)水池水位，即逐漸增加水泵進(jìn)口和真空水箱底板的相對高差，試驗(yàn)前后真空水箱水位差會增加，所需實(shí)際充水量會逐漸增加。由圖4觀察可知，在這五組不同變量2的條件下，其每條線段變化規(guī)律近乎相同，水泵與進(jìn)水池之間的高差在0～15cm處變化較快，15～55cm處變化較為穩(wěn)定，55cm后變化較慢。

圖4 不同水泵和進(jìn)水池相對高差下測得水位變化量

造成這種現(xiàn)象的原因主要有：1.隨著水泵進(jìn)口和進(jìn)水池水面相對高差逐漸增加，進(jìn)水管本身的長度也在增加，即水泵理論充水量在增加，水泵實(shí)際充水量依然在增加；反之，進(jìn)水管長度減小，水泵實(shí)際充水量減小。2.隨著水泵進(jìn)口與真空水箱底板的相對高差逐漸增加，水泵的允許吸上真空高度逐漸減小，當(dāng)水泵充水時(shí)，進(jìn)水管內(nèi)水柱上升減慢，導(dǎo)致泄漏量加大，即水泵實(shí)際充水量增大；反之，若水泵進(jìn)口和水箱底板的相對高差減小，則水泵實(shí)際充水量減小。

2.3 水泵充水量的計(jì)算

水泵理論充水量包括水泵設(shè)計(jì)體積和進(jìn)水管空腔體積，而水泵實(shí)際充水量除了包括水泵理論充水量，還包括水泵充水時(shí)，通過進(jìn)水管泄漏的水量。通過上述理論分析可知：泄漏水量主要與水泵和進(jìn)水池水面相對高差、水泵和真空水箱底板相對高差有關(guān)。根據(jù)上述兩種因素，分別取修正系數(shù)：吸程變化系數(shù)1和安裝系數(shù)2。

首先通過理論分析找出水泵實(shí)際充水量與水泵理論充水量之間的關(guān)系；后利用公式(2)計(jì)算出不同條件下的1，具體1見表3；利用表2，得試驗(yàn)前后真空水箱水位變化量，結(jié)合公式(3)得出水泵實(shí)際充水量；通過設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)合公式(4)得出水泵理論充水量；利用公式(5)得出2，具體2數(shù)據(jù)見表4；根據(jù)圖5和圖6找出2的變化規(guī)律。

最終可以得到：若已知水泵設(shè)計(jì)時(shí)理論充水量，可以利用公式(2)求得1，利用圖5和圖6查得2，通過公式(1)求得水泵實(shí)際充水量后，利用公式(6)求得水箱最優(yōu)設(shè)計(jì)體積。

1：吸程變化系數(shù)；2：安裝系數(shù)，隨水箱安裝高度變化而定，具體查曲線圖；3：安全系數(shù)，一般取1.3；理：水泵理論充水量，包括水泵及進(jìn)水管空腔，mL；實(shí)：水泵實(shí)際充水量，包括水泵、進(jìn)水管空腔及泄漏水量，mL；箱：水箱容積，mL；水泵：水泵設(shè)計(jì)容積，mL；進(jìn)：進(jìn)水管空腔長度，cm；：進(jìn)水管內(nèi)徑，cm；箱：水箱截面積，cm2；a：進(jìn)水池水面大氣壓所具有的水柱高度，m；吸：進(jìn)水池水面至水泵進(jìn)水管出口下緣的相對高差，m；△：試驗(yàn)前后真空水箱水位變化量，cm。

表3k1的計(jì)算結(jié)果

表4 k2的計(jì)算結(jié)果

通過分析圖5可知：水泵會隨著水泵和水箱底板相對高差增加，2逐漸減小。且在五組不同變量2中，2變化線的斜率基本不變，即2數(shù)值隨著變量2呈規(guī)律性變化。通過分析圖6可知：水泵會隨著水泵和進(jìn)水池水面相對高差增加，2逐漸增加。在水泵和進(jìn)水池水面相對高差在0～27cm之間時(shí)，2變化較快；27～55cm之間時(shí)，2變化逐漸減慢；直至55cm以后，2基本不變。其相對高差增加到55cm以上時(shí)，變化逐漸平穩(wěn)。最終可確定2的變化范圍在1.000～1.17之間。

圖5 k2在不同水泵和真空水箱相對高差下的變化

圖6 k2在不同水泵和進(jìn)水池相對高差下的變化

3 結(jié)論

（1）水泵和進(jìn)水池水面相對高差逐漸增加，1逐漸增加，2逐漸增大，試驗(yàn)前后真空水箱水位變化量逐漸增加，水泵實(shí)際充水量逐漸增加，真空水箱體積依然增加；

（2）水泵和水箱底板相對高差逐漸減小，1不變，2逐漸增加，試驗(yàn)前后真空水箱水位變化量逐漸增加。水泵實(shí)際充水量逐漸增加，真空水箱體積依然增加；

（3）試驗(yàn)導(dǎo)出水泵實(shí)際充水量和真空水箱最優(yōu)體積的計(jì)算公式、確定了相應(yīng)修正系數(shù)的取值方法。

[1] 王春堂.水泵及水泵站[M].鄭州:黃河水利出版社,2016

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[6] 欒鴻儒.水泵及水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2002

Experimental Study on an Automatic Filling WaterTank in Pumping Stations

SHAO Huai-hao1, HU Hong-run1, QI Yue-fan1, LI Yu-fei1, LI Bo-wen1, LIU Li-hua2, WANG Chun-tang1*

1.271018,2.271018,

An automatic water filling device in the form of a hydraulic vacuum water tank was developed and experimentally studied with the view to solving the water filling problems of water pumps. Moreover, using model experiments, therelationships of water pump water filling capacity with relative height difference between the water pump and vacuum water tank, as well as the relative height difference between the water pump and the inlet water pool were analyzed and discussed. Based on the results, the actual water filling capacity of the pump under various conditions were determined. The experimental results show that the water filling capacity will gradually decrease if either the vacuum water tank is elevated or the water level of the inlet water pool rises. Finally, with the added help of the experimental data, these relationships were then expressed as a formula for the actual water filling capacity of the pump.

Pumping station; filling water tank; design

TV675

B

1000-2324(2021)06-0996-06

2020-10-22

2021-02-12

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目:泵站進(jìn)排氣閥式自動密封水箱充水設(shè)備(S202010434034);山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目:管渠自動控水灌溉田面水流擴(kuò)散特征及土壤水分入滲機(jī)理研究(ZR2017MEE001);山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目:大田作物水肥一體化高效自動地面灌溉關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用(2018GNC110015)

邵懷豪(2000-),男,本科,主要從事水利水電工程研究. E-mail:2364841855@qq.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:slx@sdau.edu.cn