水泵站自动充水水箱试验研究

邵怀豪,胡宏润,亓越樊,李雨霏,李博雯,刘力华,王春堂*

水泵站自动充水水箱试验研究

邵怀豪1,胡宏润1,亓越樊1,李雨霏1,李博雯1,刘力华2,王春堂1*

1. 山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 2. 山东泰安建筑工程集团有限公司, 山东 泰安 271018

为了解决水泵充水问题，本文研发了水力自动真空水箱充水装置，并对此装置进行了试验研究。通过模型试验，分析探讨了水泵充水量与水泵和真空水箱相对高差、水泵和进水池相对高差的关系，进而确定不同条件下水泵的实际充水量。试验结果显示：水泵的充水量会随着真空水箱的抬高或者进水池水位的上升而逐渐减少，并结合试验得出水泵实际充水量的计算公式。

泵站; 真空水箱; 设计

正值安装高度的水泵在启动前，若不充满水，泵内会残留一定量的空气，叶轮只能带动空气旋转，又因空气单位体积的质量很小，产生的惯性离心力甚小，无力把泵和管路中的空气排出，即水泵达不到一定的真空状态，导致水泵容易产生振动，抽不上水，更谈不上水泵的输水了[1,4]。现阶段，水泵充水装置主要有：水环式真空泵充水、人工手动充水、射流泵充水等。大、中型泵站多采用水环式真空泵充水[5]，但其耗费投资较高，耗能较大，且需要配电，在野外无法实现，并会增加泵房的占地面积[1,2]。在广大的农村，农民在灌溉作物时，需要不断移动水泵，大多数情况下是没有电源的，所以农民多采用内燃机作为动力，并且无法使用真空泵来进行充水排气，采用的方式为人为人工手动充水，该方法需要在进水管管口处设立莲蓬头等单向阀，会造成大量的水头损失，降低效率，且易漏水，消耗大量劳动力[6]。

针对以上问题，本文研发了一种水力自动真空水箱充水装置，主要由水泵机组、真空水箱、进排气阀等组成。装置充分利用真空水箱形成的真空原理，实现了水箱和泵腔之间的水气置换，完成灌泵需要。其具有以下多种优点：（1）有效地解决了水泵自动化充水问题，既省去了底阀，又省去了真空泵机组，并且能够很好地实现泵站的节能运行，适用于中小型离心泵泵站；（2）有效地解决了农业日常灌溉、移动式泵站等无电源充水问题；（3）真空水箱只需要在第1次使用时灌满水，在后续工作中，会自动为水箱补水供下次使用，实现水力自动循环；（4）同时呼应新时代“环境水利，生态水利”，不会造成环境污染；（5）真空水箱制作简单，投资较少，可以自行制造。水力自动真空水箱充水装置为实现自动、节能、科学灌溉打下坚实的基础。

本文采用理论分析与模型试验相结合的方法，通过大量实验数据分析探讨出：水泵的实际充水量会受到水泵和真空水箱相对高差、水泵和进水池相对高差的影响，论证了水泵与真空水箱和进水池的相关关系，计算出水泵的实际充水量与理论充水量之间的修正系数，作出其变化的趋势图，推导出水泵实际充水量的计算公式，进而确定真空水箱在不同条件下的最优体积。

1 模型试验

1.1 组成和原理

如图1所示，试验装置包括透明水泵、透明真空水箱、进排气阀、充水排气管、排气补水管、进水池、进水管、出水管、电磁阀、电动机、风扇、连接件等。透明水泵主要参数为：设计容积549.77mL，其作用是以便观察在达到一定充水水位时，确保及时关闭闸阀，减少试验误差；并观察水泵在运行过程中，泵内真空状况，若旋转水流透明，则说明泵内真空状态良好；反之，则说明装置局部进气，泵内真空状态较差。水泵配有200 kW的电动机，风扇设在电动机下，以便降低电动机运行温度。透明真空水箱设计为圆柱形，主要参数为：底面面积149.5cm2、高度22.8cm，其作用是方便观察箱内水位变化，方便读取试验前后真空水箱水位变化量，从而计算出水泵的实际充水量；并可以直接观察进排气阀中的浮体上升与下降。管道采用内径12mm的透明橡胶软管，使得管道更加容易调整与拆卸，方便观察水流，开启水泵时也可以减轻振动带来的影响。闸阀采用电磁阀，可实现远程遥控，及时关闭与打开闸阀，减少因手动关阀的快慢，而造成试验不必要的人为误差。进排气阀主要由上浮体、连杆、下浮体、阀体组成，阀体为圆柱形，其内部上下两端设有弧形凹槽，弧形凹槽之间留有圆柱孔，连杆安装在圆柱孔内，连杆连接上浮体与下浮体，称为浮体，浮体可以通过弧形凹槽堵住进排气阀，具体剖面图如图2所示。

图1 试验模型示意图

1-进水管，2-充水排气管，3-充水排气管闸阀，4-排气补水管，5-排气补水管闸阀，6-真空水箱，7-进排气阀，8-浮体，9-出水管，10-出水管闸阀，11-水泵，12-电动机，13-风扇，14-水泵机组底座，15-进水池

图2 进排气阀剖面图

试验地点定于山东农业大学水工实验大厅。利用水箱来模拟进水池，以便调节水泵和进水池相对高差；在运行过程中，时刻为进水池补水，从而保持进水池溢流，用来固定水泵和进水池水面的相对高差。

水力自动真空水箱充水装置原理主要包括：真空工作原理与自动充水原理。真空工作原理：真空水箱通过充水排气管在为水泵充水过程中，泵腔内的气体通过排气补水管排出，随着真空水箱中水位下降，箱内压强减小，浮体逐渐下移，当浮体接触到进排气阀阀体上端弧型凹槽时，进排气阀自动关闭，真空水箱自动密封达到真空状态，即利用真空水箱实现泵腔内的水气置换，从而使水泵达到真空状态，完成灌泵需要。自动充水原理：完成灌泵后，关闭充水排气阀，开启水泵，水流通过排气补水管为真空水箱补水，随着真空水箱中水位上升，箱内压强逐渐增加，浮体在压力作用下，逐渐上移，进排气阀自动打开，气体从缝隙中排出，当真空水箱中水位上升到一定高度时，浮体在浮力作用下，逐渐上移，当浮体接触到进排气阀阀体下部弧型凹槽时，进排气阀自动关闭，从而防止真空水箱中水体溢出，此时完成自动化补水过程。

1.2 试验方法

试验采取理论分析与模型试验相结合的方法。首先确定影响水泵实际充水量的两个变量：变量1-水泵进口和进水池水面的相对高差、变量2-水泵进口和真空水箱底板的相对高差。通过建立模型测定真空水箱试验前后水位，确定水泵实际充水量，推出水泵实际充水量与水泵理论充水量的相关关系，进而确定两种变量的修正系数，最终导出水泵实际充水量的计算公式。

试验共需量取：变量1、变量2、进水管空腔长度、真空水箱试验前后位变化量。共测定七组变量1，每一组变量1中有五组变量2，为了试验方便将其35组分别编号，编号如表1所示。测定变量1的方法为：固定水泵高程不变，通过改变进水池水位，测得七组变量1为：63.85cm、53.95cm、45.65cm、34.35cm、26.55cm、14.93cm、4.35cm。测定进水管空腔长度分别为：89.91cm，79.98cm，76.60cm，62.11cm、66.20cm、46.60cm。测定变量2的方法为：固定水泵高程不变，通过改变真空水箱高程，测得五组变量2为：23.55cm、26.95cm、30.55cm、34.30cm、38.15cm。试验装置示意图如图1所示，测定试验前后真空水箱水位变化量的方法为：初次使用，先把6-真空水箱灌满水后封堵；读取6-真空水箱中初始水位，然后打开5-排气补水阀和3-充水排气阀，使水在重力作用下，通过2-充水排气管为11-水泵充水；随着真空水箱水位下降，箱内压强逐渐减小，7-进排气阀中的8-浮体会逐渐下移，直至11-水泵与1-进水管中灌满水时，8-浮体会堵住7-进排气阀，即不会再有水下落，关闭3-充水排气阀，读取6-真空水箱内末时水位；开启11-水泵，通过4-排气补水管为6-真空水箱补水；随着6-真空水箱中水位逐渐上升，箱内压强逐渐增加，8-浮体逐渐上移，直至6-真空水箱补满水，8-浮体堵住7-进排气阀，真空水箱结束工作，关闭5-排气补水阀，为下次充水做准备；打开10-出水管闸阀，水流通过9-出水管出流，进行灌溉等后续工作；关闭11-水泵后，计算末时水位与初始水位的差值，即得试验前后真空水箱水位变化量。每一组变量2中试验前后真空水箱水位变化量循环测定五到十次，以减少因偶尔装置漏气、读数不准等误差，最终数据取平均值。

表1 试验编号

2 数据处理与分析

2.1 水泵与真空水箱相对高差的影响

从表2分析试验前后真空水箱水位变化量可得：在固定变量1——水泵进口和进水池水面相对高差时，逐渐抬高真空水箱的高程，会发现在七组不同变量1的条件下，试验前后真空水箱水位差在逐渐减少，即水泵的实际充水量逐渐减少。通过图3观察可得，每组斜率都较为接近，其每条线段斜率大小在-0.00363～-0.00774中变动。

究其原因是由于随着水泵进口和进水池水面相对高差逐渐增大，系统的真空度在增加，装置内部的负压越大，即与大气压的差值越大。进水池水面压力等于1个大气压，所以当水泵充水时，真空度越大，绝对压力越小，进水管的水柱上升越快，即水泵实际充水量越小；反之，若水泵进口和进水池水面相对高差逐渐减小，水泵实际充水量就越大。并且真空度越大，后续通过排气补水管为真空水箱补水时，其补水形成的水柱越连续、湍急。

表2 试验前后真空水箱水位变化量

图3 不同水泵和真空水箱相对高差下测得水位变化量

2.2 水泵与进水池相对高差的影响

从表2可以看出：在五组不同变量2——水泵进口和真空水箱底板相对高差的条件下，倘若固定变量2，逐渐降低进水池水位，即逐渐增加水泵进口和真空水箱底板的相对高差，试验前后真空水箱水位差会增加，所需实际充水量会逐渐增加。由图4观察可知，在这五组不同变量2的条件下，其每条线段变化规律近乎相同，水泵与进水池之间的高差在0～15cm处变化较快，15～55cm处变化较为稳定，55cm后变化较慢。

图4 不同水泵和进水池相对高差下测得水位变化量

造成这种现象的原因主要有：1.随着水泵进口和进水池水面相对高差逐渐增加，进水管本身的长度也在增加，即水泵理论充水量在增加，水泵实际充水量依然在增加；反之，进水管长度减小，水泵实际充水量减小。2.随着水泵进口与真空水箱底板的相对高差逐渐增加，水泵的允许吸上真空高度逐渐减小，当水泵充水时，进水管内水柱上升减慢，导致泄漏量加大，即水泵实际充水量增大；反之，若水泵进口和水箱底板的相对高差减小，则水泵实际充水量减小。

2.3 水泵充水量的计算

水泵理论充水量包括水泵设计体积和进水管空腔体积，而水泵实际充水量除了包括水泵理论充水量，还包括水泵充水时，通过进水管泄漏的水量。通过上述理论分析可知：泄漏水量主要与水泵和进水池水面相对高差、水泵和真空水箱底板相对高差有关。根据上述两种因素，分别取修正系数：吸程变化系数1和安装系数2。

首先通过理论分析找出水泵实际充水量与水泵理论充水量之间的关系；后利用公式(2)计算出不同条件下的1，具体1见表3；利用表2，得试验前后真空水箱水位变化量，结合公式(3)得出水泵实际充水量；通过设计参数结合公式(4)得出水泵理论充水量；利用公式(5)得出2，具体2数据见表4；根据图5和图6找出2的变化规律。

最终可以得到：若已知水泵设计时理论充水量，可以利用公式(2)求得1，利用图5和图6查得2，通过公式(1)求得水泵实际充水量后，利用公式(6)求得水箱最优设计体积。

1：吸程变化系数；2：安装系数，随水箱安装高度变化而定，具体查曲线图；3：安全系数，一般取1.3；理：水泵理论充水量，包括水泵及进水管空腔，mL；实：水泵实际充水量，包括水泵、进水管空腔及泄漏水量，mL；箱：水箱容积，mL；水泵：水泵设计容积，mL；进：进水管空腔长度，cm；：进水管内径，cm；箱：水箱截面积，cm2；a：进水池水面大气压所具有的水柱高度，m；吸：进水池水面至水泵进水管出口下缘的相对高差，m；△：试验前后真空水箱水位变化量，cm。

表3k1的计算结果

表4 k2的计算结果

通过分析图5可知：水泵会随着水泵和水箱底板相对高差增加，2逐渐减小。且在五组不同变量2中，2变化线的斜率基本不变，即2数值随着变量2呈规律性变化。通过分析图6可知：水泵会随着水泵和进水池水面相对高差增加，2逐渐增加。在水泵和进水池水面相对高差在0～27cm之间时，2变化较快；27～55cm之间时，2变化逐渐减慢；直至55cm以后，2基本不变。其相对高差增加到55cm以上时，变化逐渐平稳。最终可确定2的变化范围在1.000～1.17之间。

图5 k2在不同水泵和真空水箱相对高差下的变化

图6 k2在不同水泵和进水池相对高差下的变化

3 结论

（1）水泵和进水池水面相对高差逐渐增加，1逐渐增加，2逐渐增大，试验前后真空水箱水位变化量逐渐增加，水泵实际充水量逐渐增加，真空水箱体积依然增加；

（2）水泵和水箱底板相对高差逐渐减小，1不变，2逐渐增加，试验前后真空水箱水位变化量逐渐增加。水泵实际充水量逐渐增加，真空水箱体积依然增加；

（3）试验导出水泵实际充水量和真空水箱最优体积的计算公式、确定了相应修正系数的取值方法。

[1] 王春堂.水泵及水泵站[M].郑州:黄河水利出版社,2016

[2] 郑永生.水环真空泵常见故障研究分析[J].机械管理开发,2016,31(5):163-164,169

[3] 张志光.农用离心式水泵启动时的几种充水方法[J].农业机械,2009(9):96-97

[4] 朱永丽.离心式水泵启动时真空的重要性[J].科技资讯,2012(25):109

[5] 王福军.水泵与水泵站[M].北京:中国农业出版社,2005

[6] 栾鸿儒.水泵及水泵站[M].北京:中国水利水电出版社,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

山东农业大学水利土木工程学院国家级大学生创新创业训练计划项目:泵站进排气阀式自动密封水箱充水设备(S202010434034);山东省自然科学基金面上项目:管渠自动控水灌溉田面水流扩散特征及土壤水分入渗机理研究(ZR2017MEE001);山东省重点研发计划项目:大田作物水肥一体化高效自动地面灌溉关键技术研究及应用(2018GNC110015)

邵怀豪(2000-),男,本科,主要从事水利水电工程研究. E-mail:2364841855@qq.com

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:slx@sdau.edu.cn