谭泉坝水轮泵的选型探讨

张勇智

（宁乡市水利水电建设总公司，湖南 长沙410600）

1 基本情况

谭泉坝位于宁乡市沩江一级支流大成桥河下游的大成桥镇二泉村，坝址上游集水面积为135 km2，设计提水灌溉坝左岸的350亩水田，提水管道长20 m。由于大成桥河没有长系列的水文资料，根据距离坝址18 km的石坝子水文站的资料，通过比拟法计算得到大成桥河谭泉坝址处8、9、10月80%频率时的月平均径流量分别为0.52 m3/s、0.32 m3/s、0.56 m3/s；谭泉坝上游设计水位为71.36 m，下游水位0.35 m3/s流量时为68.50 m，提水管出口中心线高程为73.00 m。根据上游来水、灌溉面积及提水高程的情况，初步确定D40-6型水轮泵。

2 水轮泵的机、泵的参数关系

水轮泵是以水轮机为原动机，直接带动水泵提水的灌溉机械。它是利用集中落差的水能，推动水轮机带动与其连在同一轴上的水泵做功，将低处的水提至高处。水轮泵与电机泵都是利用动力机械将水从低处提至高处，只是电机泵的原动机一般采用电动机，电动机的机械特性是硬特性，也就是电动机的转速不随水泵负荷的变化而改变，在水泵的运行中，只要水泵装置特性不改变，水泵的运行工况就不会改变。水轮泵的原动机是水轮机，水轮机的自然机械特性是软特性，水轮机的转速是与水头H和水轮机过流量Q相关，随着水轮机工作水头的变化，水轮机的转速会改变，运行工况也会改变，相应的会引起水泵运行工况的改变，水轮机所产生的能是与水泵所作的工基本相同，它们之间的关系为：

η×Q×H=q×h

式中Q、H——水轮机的过流量（m3/s）和工作水头（m）；

q、h——水泵的提水流量（m3/s）和提水扬程（m）；

η——水轮泵总效率。

因而水泵的扬程、提水流量、水轮泵的功率、过流量、转速都是随水轮机的工作水头变化而变化。

根据水轮机的相似律，水轮机过水流量、转速及功率参数与1 m水头时的参数有以下关系：

式中Q、n、N、H——水轮机工作水头时的过流量、转速、输出功率、工作水头；

Q1、n1、N1——水轮机1 m水头时的过流量、转速、输出功率。

根据水泵的相似律及比例律，水泵过水流量、转速及功率参数与1 m水头时的参数有以下关系：

式中q、h、p、n——水泵在水轮机工作水头转速时的提水量、扬程、功率、转速；

q1、h1、p1、n1——水泵在水轮机1 m工作水头转速时的提水量、扬程、功率、转速。

由上面的关系式可见，选定水轮泵后，40 cm转轮下的水轮泵都是采用固定叶片和固定导叶，所以其过水流量、转速及输出功率都是由水轮机的工作水头决定的，而与水轮机连接的水泵的扬程、提水流量、功率都是由水泵叶轮的转速决定的，故水泵的扬程、提水流量、功率与水轮机的工作水头紧密相关，具体见图1。

图1 水泵的扬程、提水流量、功率与水轮机的工作水头关系曲线

3 初选水轮泵的性能参数及运行工况

根据《水轮泵》（GB/T 6490-2008）标准，在常温清水下，D40-6水轮泵在1 m工作水头时的工作参数见表1。

表1 D40-6水轮泵在1 m工作水头时的工作参数

根据水轮泵装置图（图2）可知，水轮泵在工作时，原动机部分水轮机流道会有水头损失，提水部分水泵流道会有扬程损失，故水轮机的工作水头和水泵的提水扬程分别为：

图2 水轮泵装置图

式中H净——水轮机工作净水头；

H——水轮机工作总水头；

H损——流道水头损失；

ξ——水头损失系数。

h总=h+h损

式中h总——水泵提水总扬程；

h——水泵提水净扬程；

h损——水泵出水管道扬程损失；

λ——沿程扬程损失系数；

l、d——水泵出水管的长度及直径；

ξ——局部扬程损失系数。

因水轮机流道的水头损失随流量的变化改变不大，取总水头的0.95 m；当水泵的管道及装置确定以后，扬程损失主要与流速相关，根据水轮机、水泵的相似律、比例律、水头、扬程计算公式，水轮泵在不同工作水关下的运行工况见表2。

表2 水轮泵在不同工作水关下的运行工况

由表2可以看出水轮泵在设计保证率80%的情况下，控制上游水位在69.2～69.3 m时在来水量为0.32 m3/s时，能保证提水流量在34 L/s，基本满足设计提水流量的要求，只是因运行水位低，机组在安装时基础开挖工程量较大。由于水轮泵的工况与工作水头相关，故在设计时可以在保证水轮泵提水流量的情况下，通过降低水轮泵的工作水头来减少水轮机的过水量，以满足灌溉的要求。