真空引水装置的设计计算＊

□卢珍 周小波 曾文明 李玉玲 李光辉/四川省农业机械研究设计院

1 引言

近年来，随着国家对现代农业发展的大力支持，信息化提灌站、智能化节水灌溉系统的建设越来越多。首部系统的引水方式有多种，其中，真空引水装置因具有结构简单、维修方便、便于自动控制的优点而得到大力推广和应用。但在实际工程应用中，由于真空引水装置设计不合理、管道水力损失计算不正确等诸多因素，造成真空引水装置吸水不能满足要求、水泵运行不正常等问题时有出现。因此，笔者结合设计工作中遇到的问题，对真空引水装置的正确设计进行介绍，并提出相关注意事项，为工程设计人员提供一定的参考。

2 真空引水装置介绍

真空引水装置属于一种气密性良好的封闭式罐子，由进水管、出水管、罐体、灌水阀和排气阀等组成，其进水管连接吸水管道，出水管连接水泵进水管。具体结构如图1所示。

真空引水装置的工作原理是水泵启动前，先开启灌水阀和排气阀，通过灌水阀向罐体内灌水，当排气阀处有水流出时，关闭灌水阀和排气阀，然后启动水泵，当水泵启动后罐体内的水量逐渐减少，从而使罐体内产生一定的真空，在此真空的作用下，水从进水池经吸水管道进入真空引水装置，此后在保证装置气密性良好的状态下即可不用灌水直接启动。

3 真空引水装置设计

3.1 基本参数

当地大气压95.5KPa，最高水温28℃；水泵流量0.012m3/s，汽蚀余量2.5m；吸水管为焊接钢管，直径0.10m，总长度7.90m；喇叭口1个，大径0.15m，小径0.10m；90°弯头2个，直径0.10m；真空引水装置安装平面距离进水池液面最低水位3.00m。具体详见图2所示。

图 1 真空引水装置结构图

3.2 装置参数计算

根据基本参数计算确定满足要求的装置参数。下面采用气体等温变化下的波义耳定律进行水泵启动前后空气体积变化计算。计算过程如下：

1）水泵启动前气体体积V1计算如下：

图 2 安装示意图

式中：Va为吸水管内空气体积，m3；Vb为灌满水后罐子内空气体积，m3；d为吸水管道直径，m；D为罐子直径，m，初步设计为0.7m；L为吸水管长度与装置进水管长度总和，m；h为灌满水后罐子内空气高度，m。则：

2）吸水管内流速v计算如下：

式中：Q为水泵流量，m3/s；d为吸水管直径，m。则：

3）吸水管内水力损失h计算如下：

式中：hj为沿程损失，m；hi为局部水头损失，m；hv为速度水头，m；λ为摩擦系数，m；查表取0.025[1]；L为吸水管长度与装置进水管长度总和，m；v为吸水管内流速，m/s；d为吸水管直径，m；ζ为局部阻力系数，查表喇叭口取0.2；90°弯头取0.3[1]。则：

4）水泵启动后装置内的气体压力P2计算如下：

式中：P1为水泵启动前装置内气体压力，与外界大气压相同，为95.5KPa；h为吸水管道水力损失，m；ha为真空引水装置进水管上端面距离进水池液面最低水位的高差，真空引水装置的高度初步设计为1.4m。则：

5）水泵启动后气体体积V2计算如下：

式中：P1为水泵启动前装置内气体压力，与外界大气压相同，为95.5KPa；V1为水泵启动前气体体积，m3；P2为水泵启动后装置内的气体压力，KPa。则：

6）水泵启动后装置内液位下降的高度H1计算如下：

式中：V2为水泵启动后气体体积，m3；A为装置的截面积减去进水管道的截面积，m2。则：

7）真空引水装置高度H计算如下：

式中：H2为装置出水管中心线的最低淹没深度，m；H3为装置出水管中心线距离装置底部的高度，m；H4为水泵启动前装置内空气高度，m。则：

可见真空引水装置的计算高度小于初步设计值1.40m，计算结果满足设计要求。为了施工方便，并考虑一定的余量，将装置高度取为1.20m。

8）真空引水装置高度与直径的比值：

装置的高度与直径的比值范围一般取1.2～1.8。上述计算结果为装置直径0.7m，高度1.2m，高度与直径的比值为1.71，满足要求。

9）泵启动后装置内最小压力P2min计算如下：

式中：H2为装置出水管中心线的最低淹没高度，m；hc为水泵进水管内水力损失，m；[NPSH]为水泵许用汽蚀余量，m，通常取[NPSH]=（1.1～1.5）NPSHr（水泵汽蚀余量），本设计取1.4m，Pv为水泵安装所在地最高水温下的饱和蒸汽压力，KPa，本设计为3.78KPa。则：

因此，为了保证水泵进口不发生汽蚀问题，确保水泵的正常运行，水泵启动后装置内的压力必须大于等于36.55KPa。由（4）式计算结果可知，P2=42.72KPa＞P2min，符合要求。

如果计算结果不满足要求，将对初步设计的装置直径进行调整，再重复上述1）～9）的计算过程。

4 注意事项

真空引水装置作为一种简单而实用的引水设备，应通过正确的计算确定其参数，使之与吸水管路和水泵相匹配，同时有以下几个注意事项：在条件允许的情况下，尽量降低装置的安装高度；装置应安装在水源附近，尽量缩短吸水管道的长度和减少弯头等管件的个数；保证装置有良好的气密性。