FSH(M)农用风力提水机的水泵设计与特性分析

诺锐亭，袁丽伟 ，朱丽娜 ，冯帅，梁志鹏，胡建栋

(1.苏丹科技大学，喀土穆 13314；2.锡林郭勒职业学院，内蒙古 锡林浩特 026000；3.内蒙古工业大学，呼和浩特 010051)

0 引言

风力提水是人类利用风能的最古老也是最重要的方式之一，通过机械能量传动装置带动水泵，也可以通过转换成电能带动电泵实现提水作业。水泵是风力提水机组的重要组成部分，也是机组研发方面投入较大的项目。在干旱的草原，水泵的作用就是在动力的作用下由低处向高处送水，形成水位差(压差)达到要求的流量，解决人畜饮水问题。与风力提水机配套的水泵，从结构上可分为叶轮旋转式水泵、活塞往复式水泵、空气压缩式水泵及膜片式水泵等。根据动力源不同，可分为机械泵和电动潜水泵两大类。风力提水机按使用的技术指标，可分为低扬程大流量型、中扬程大流量型和高扬程小流量型3种类型。离网、干旱、偏远地区的生产、生活用水，一般使用机械式风力提水机组。其中，风力机技术已经日趋成熟，而与之配套的水泵能否满足水井条件和用户需求，成为影响机组整体效益发挥的关键因素[1-2]。

1 两种离网匹配水泵

1.1 离网水井与活塞水泵

在牧区，水井的主要类型有钢管井、铸铁管井、塑料管井、水泥管井及大口井(也叫筒井、土井，一般用石块垒砌成圆形)，水井涌水量、水质、水位和井深等情况十分复杂。早期的风力提水机配套使用的水泵均为拉杆活塞泵，作为生产、生活用的每一款风力提水机组(包括风力机和水泵)，其自身使用条件是有严格界定的。一定扬程、流量的提水机只能在井深和涌水量满足要求时才能正常工作。例如：当井深超过机组标定的扬程，不但增加了机组负荷，而且还会降低机组工作效率甚至提不上水；当井的涌水量小于机组最小提水量标准时，活塞式水泵空转而失去水的润滑，加速磨损，破坏了密封性，使容积效率下降；若水质不好，还会造成井管、拉杆、阀门及泵体等零部件腐蚀，降低使用寿命。据往年现场观测，安装在当地的一台风力提水机，配套水泵为双作用提水泵，提水扬程为10m，设计流量20t/h。试验时，在额定风速下仅20min就把井水抽干，无人值守可能造成的后果是：风轮在空负荷下运转速度比正常运转加快，水泵内无水干磨，机器会发生故障，影响使用效果，也降低了机组应有的使用寿命，严重时能使整机损毁。将这种活塞泵的径向尺寸变小，成为“细长型”泵体，可广泛适用于牧区众多的钢管井、铸铁管井及塑料管井。

1.2 离网水井与膜片水泵

另一种配套水泵是新研发的适合离网牧区风力提水机的拉杆囊式膜片泵，囊体采用新型复合橡胶材料，规避了水泵机械运动部件的磨损、渗漏及锈蚀等问题。根据不同应用场景，既可以做成“细长型”泵体，也可以做成“短粗型”泵体。载荷是导致失效直接原因，也是影响产品可靠性的重要因素。一般情况下，一个风力发电厂中安装在不同位置的发电装备的服役载荷历程会有明显的差别[3]。同样，风力提水装备在干旱地区服役过程中经历的载荷时间历程及其不确定性有明显的特点。对于这种水泵，需从使用地域和时间两个方面描述载荷历程的特性， 并以此为基础 研究其零部件，特别是膜片疲劳可靠性分析与建模方法。因此，对于与风力提水机配套的水泵，必须充分考虑匹配条件，如当地的水文水质情况、用水需求量、井深(提水高度)及涌水量大小等[4]。

2 拉杆活塞泵的设计

目前，排灌用箱涵式泵装置的应用较多，历史较长，业界对这方面的研究也越来越广泛。借鉴双向流道泵的优化设计与试验经验，在设计工况下，大流量运行效率可达70%以上，试验运行与数值模拟结果吻合较好。本项目涉及的泵型为适应干旱草原的活塞拉杆泵。

2.1 结构组成

FSH—2.0～4.0型风力提水机组出厂时均配有拉杆活塞泵。拉杆活塞泵主要由滤网、泵缸、上泵体、阀座、上下阀、阀门罩、活塞、泵管及拉杆等件构成，如图1所示。

工作过程：当曲柄带动拉杆上下往复运动时，活塞上行，泵缸内下面形成真空状态，水在大气压力作用下打开下阀，进入泵缸内；当活塞下行到下死点时，由于下阀自重和水的压力作用而关闭。与此同时，活塞上阀被推开，拉杆推动活塞下行，水充满活塞上部空腔，当活塞再向上行，就把水排出泵外。如此往复动作，不断把水提入泵管，输入储水池内，完成一次提水过程。

2.2 拉杆活塞水泵特性的测定

以FSH—3.5型风力提水机为例，风轮直径3.5m，设计的额定风速为7m/s时，配套的水泵为90mm的活塞拉杆泵，起动风速为3m/s时即可少量提水。实验室测定的结果进一步验证了拉杆活塞泵的V-Q特性。实验表明：对于不同直径的活塞泵(95/110mm)，在设定的提水高度，当模拟风机从起动到额定转速时，提水量呈线性增加。另外，风轮转速取决于风速的瞬时变化。当风轮转数120r/min时，提水量可达到2.8t/h。Φ90水泵V-Q特性曲线如图2所示。因风力机调速和限速作用，超过额定风速时，风机开始调速，提水量并非呈线性增长，有利于水井涌水的积累，可避免负荷减少或无水润滑而造成机械损伤等故障。

2.3 密封磨损试验

应用于矿山、冶金、煤炭、水泥、陶瓷、电厂、石油、化工、铸造、港口河道疏浚及污水处理等作业中的离心渣浆泵，用来输送液体中含有各种形状固体物的磨蚀性渣浆，泵的寿命和可靠性应当是比泵的原始投资价格和效率更为重要的考虑因素[5]。参照渣浆泵的磨损分析与选材，为了降低成本，活塞泵在最初设计时采用普通铸件。随着使用时间的推移，一般运行7 200h以后就发生密封不严的问题。经多年的试验发现：水泵的密封性能下降主要是工作介质变化和表面光洁度造成的，而造成这种现象的主要原因是锈蚀。这是因为每一个水源井的水质不一，酸碱度差别很大，在一些井水pH值较高的井位上安装的水泵，其中的紧固螺栓由于螺栓头锈蚀变圆而无法拆除。为了抗锈蚀，推广的水泵在选材上使用不锈钢、有色金属或非金属材料，提高了水泵的抗腐蚀能力，可无故障运行2年。实验室高强度连续运行1 440h后，观察水泵提水效率降低0.8%。主要是因为密封圈的磨损，需要更换密封圈，做好定期维护保养是关键。

2.4 水泵的匹配性

目前，国内外为风力提水机配套的水泵基本都是拉杆活塞泵，它适应于水源稳定、水位变化不大、水质较好、特别是没有颗粒物质的水井条件。现有泵径系列为80/90/100/110mm，适用于口径200mm以下的铸铁管井和塑料管井。活塞泵在自然环境下运行，密封和磨损问题一直没有很好解决，相对于风力机15年的设计寿命，水泵磨损的短板影响了风力提水机组的推广应用。过去，专门为风力提水机研制了一种上下对接式膜片泵，解决了适应牧区筒井水源条件和拉杆活塞存在的密封、磨损问题；但是膜片材料不过关、气吸空间小，影响提水量和使用寿命，膜片疲劳性破损又增加维护保养工作量。

3 囊式膜片拉杆泵的设计

囊式膜片又称空气弹簧、波纹气胎、橡胶气囊等，广泛应用需要行程控制和隔震、减震的设施和部位。为改善车辆行驶的平顺性，研究设计了带有连接管路的带附加气室空气弹簧特性试验系统，提出了带附加气室空气弹簧系统静态特性和动态特性的试验方案[6]，给本设计提供了启发。本设计的泵径限定在300mm，以便适用于大多是水泥管井和塑料管井，依据行程，确定曲囊为3个。这种塔型囊式膜片可偏转、可曲挠、可实现力的柔性传递，是泵体结构的核心部件，采用橡胶夹线制造，现有两种型号。其关键参数如表1所示。

表1 囊式膜片拉杆泵及囊体关键参数Table 1 The key parameters of the capsule type rod pump

3.1 结构设计与组装

囊式膜片拉杆泵，包括囊式塔形膜片、上下托盘、拉杆、出水管接头、限位盘、上下阀门；囊式膜片的上、下两端分别用上托盘与上压环、下托盘与下压环固定，通过上下托盘、上下阀门和上下阀门座分别固定在上下阀门罩上。上阀门罩外面装有出水管接头，拉杆通过上阀门罩、上阀门与下阀门罩连接。安装时将拉杆套上限位块，拧入下阀门罩内，并用限位块锁紧，支撑杆下端固接限位盘，中间设有两个支撑环，上端设有限位环，支撑杆上端固接上托盘，在拉杆的上端安装锁母和长螺母。囊式膜片在拉杆的作用下引起囊内空间变化进行泵水作业[7]，如图3所示。

1.限位盘 2.下托盘螺栓 3.下压环 4.下托盘 5.下阀门座 6.下阀门 7.下阀门罩 8.上限位块 9.支撑环 10.支撑杆 11.限位环 12.支撑杆螺母 13.上压环 14.上托盘 15.上托盘螺栓 16.长螺母 17.安装锁母 18.拉杆 19.出水管接头 20.上阀门罩 21.上阀门 22.上阀门座 23.上阀罩螺栓 24.囊式膜片 25.下阀罩螺栓

3.2 泵体的组装

囊式塔形膜片用下阀门罩螺栓，通过下托盘，装好下阀门座和下阀门，固定在下阀门罩上，将拉杆套上限位块，拧入下阀门罩内，并用限位块锁紧；套上塔形囊式膜片后，用下托盘螺栓，通过下托盘，夹上塔形囊式膜片，固定在下压环上；用上阀门罩螺栓，通过上托盘，装好上阀门座和上阀门，将其固定在上阀门罩上；用上托盘螺栓，通过出水管接头、上托盘和囊式膜片固定在上压环上；将支撑杆下端焊接在限位盘上；再在支撑杆的中间焊接两个支撑环，上端焊接限位环，将支撑杆上端装入上托盘的边孔内，用支撑杆螺母固定。

3.3 与风力机的装配

1)确定行程。将囊式塔形膜片与刚性部件安装在一起成为泵体，用力向下推拉杆，当再无法推动时，说明下托盘已经碰到限位盘，这时要在拉杆上做标记，再向上用力提拉杆；当无法上提时，证明限位块已经到上死点，在拉杆上同样做标记。这两个记号的距离，是该泵的最大行程。参照离网牧区活塞泵的安装方式，如果选择风力机作动力与其配套，风力机拉杆使用行程要小于囊式膜片拉杆泵制造行程30～50mm[8]。

2)井位安装。把风力机立在井位上，将其控制在刹车状态，再把风力机拉杆转到下死点位置，固定住风轮防止转动。根据使用要求和水位深度，计算出囊式膜片拉杆泵放入井内时，该泵在水面以下500～600mm距离。出水管在井上面的出水口，要高于水罐进水口300mm距离。按此要求确定出水管和风力提水机长拉杆长度。把囊式膜片拉杆泵上的长螺母，安装在风力提水机配套的长拉杆上，并用该拉杆上的锁母锁紧，把长拉杆插入出水管内，将其固定在出水管接头上，组合完毕将其放入井内，再把长拉杆与风力机顶端拉杆连接在一起[3]。

由于囊式膜片拉杆泵的自重影响，该泵内的限位块，已接近上死点，为了防止碰撞，将出水管向上提升，提升的高度为泵的1个往复行程加15mm，并将其固定在塔架上。

3.4 工作过程

囊式膜片拉杆泵在安装时放入井内过程中，当水位高于下阀门时，井水会冲开下阀门进入泵内；囊式膜片拉杆泵继续下放时，井水又会冲开上阀门，把泵充满，在重力的作用下，上、下阀门回复关闭状态。当拉杆在风力提水机长拉杆作用下上行时，囊式膜片拉杆泵内的下阀门关闭，泵内的水会冲开上阀门，进入出水管；当拉杆下行时，上阀门关闭，井水又会冲开下阀门进入泵内。这样不断往复运动，使囊式膜片拉杆泵连续工作。

3.5 性能优势

在实际应用中，将一个典型风力提水机用户的拉杆活塞泵，替换为囊式膜片泵。截至目前，已经安全无故障运行4年，经受住了一定的耐久性考验，特别是在湿地恢复试验中经受住高寒地区冬季运行的考验[9]。目前，在完成新能源水泵试验中心建设项目后，利用建筑物高度，每5m设置一个试验点，共有8个试验观测站。试运行后，需对膜片泵各个观测站的运行特性进行取值分析。拟利用轴对称橡胶气囊的几何简化模型，使用网格理论、薄膜理论和层合板理论，分析膜片的内力、应力、应变、帘线力和变形等。若得到预期的结果，还需足够长的时间，采用CFD技术对大量数据进行积累和模拟分析。结合实际应用和实验室检测，其优势在于：①囊式膜片在拉杆的作用下，引起囊内空间变化进行泵水作业，除阀门和阀门座始终处于间断接触性开合状态外，没有摩擦件，密封性好，性能可靠，使用寿命长；②扬程和风轮转速对囊式膜片泵效率的影响不大；③可以输送糊状液体，对液体中含有颗粒比重大的混合物有很好的适应性；④可以用作计量泵在化工、食品、制药等行业使用，计量精度高，压力稳定；⑤相当于机械式空气压缩机，可以用于浅水河道的大流量提水或者鱼塘增氧作业。

4 结论

水泵一般都安装在数米甚至数十米的井下，拆装工作量很大，因此井下水泵易保养、免维护、适应性强是设计者的目标追求。拉杆活塞泵和囊式膜片泵的性能优劣，取决于工艺结构设计和材料的选择。离网、干旱、偏远地区的应用，要结合当地风资源、水文水质、水井种类、涌水量及提水扬程等综合因素来确定使用何种泵型。活塞泵在直径120mm以下的塑料管井和铸铁管井中，水源稳定、水位变化不大及水质较好时具有优势。囊式膜片泵因塔形结构而增大了泵水空间，采用夹帘线橡胶代替运动部件而规避了摩擦损伤导致的密封不严故障，提高了容积效率，增强了抗腐蚀能力，扩大了适用范围。

为了进一步优化和扩展风力提水机配套水泵试验设备的设计，扩大电动离心泵、潜水泵等的测试范围，提供高质量和权威性的社会服务工作，还需在生产实践中认真总结经验，改进新能源水泵试验中心的设计，提高自动化程度，使之具备自动执行测试过程和“一键式”报表生成功能，并利用CFD技术在水泵与流体的瞬态测试、稳态测试和气蚀气缚性能测试等功能实现方面取得进展。