无底阀充水装置研究进展

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　　摘 要：通过对现有的水泵无底阀充水的相关文献进行研究和分析发现，无底阀充水发展较早，但在研究方向上，主要集中在节能效果和无底阀水箱结构研究，随着计算机的发展，无底阀充水逐渐趋于自动化。虽然无底阀水箱结构多样，节能效果较好且易操作，但也存在一些问题：研究多为结构设计，缺乏无底阀水箱参数研究;采用无底阀充水时水箱内易出现大量气泡;采用无底阀充水装置时，水箱第1次灌水量无定量资料。同时对未来相关研究趋势进行了预测：无底阀充水装置参数研究;关于无底阀充水装置中水箱内两相流研究。
　　关键词：水泵;无底阀充水;节能
　　中图分类号：S27       文献标识码：A
　　DOI：10.19754/j.nyyjs.20200430023
　　水泵在石油、煤矿、给排水与农业灌排中是最常用的液体输送机械，根据统计，全国发电量的20%用于泵类机械的运转。在水泵运行中，水泵效率低、能耗大、能源浪费严重等问题突出，其中，泵效率较国外先进水平低3%～5%，而整个水泵站的运行效率较之低20%左右，导致能源利用率较低。随着机械化的发展，传统农业逐步向现代农业转变，在农业工程中离心泵的需求量巨大[1，2]。
　　目前，离心泵常用的充水方法是在水泵进水管处加装底阀。水泵启动前，底阀因自身重力呈关闭状态，确保水泵进水管与水泵在充水过程中充水排气，待水泵开启后，因水泵进口与水池水面出现压力差，水泵进水管中出现吸力使底阀开启，停泵后因吸力消失而重新关闭，防止停泵时泵进水管内水流倒流入水池中。但其缺点是底阀水头损失较大，影响水泵的装置效率。此外，离心泵底阀因安装于水面以下，随着使用时间增加，淤泥的积聚及水草等杂物容易导致底阀堵塞，甚至有可能在水锤的作用力下被击碎，导致水泵出水困难，水流不连续，同时由于底阀关闭不严，进水管内水流进入水池，再次运行时会导致水泵失效，损坏水泵。底阀检修费时费力，且检修之后易再次出现问题，需要再次检修。为解决水泵充水以及加设底阀所带来的问题，相关学者们发现无底阀装置相较于其它装置能较好地解决这2个问题。无底阀充水装置即是水泵在运行时不加设底阀，而采用特定的充水装置代替底阀，既能保证水泵运行前充水和密封性，且造价低，操作方便。
　　1 研究现状
　　1.1 节能效果研究
　　因底阀安装在进水管底端，阻力系数大，能量损失严重，严重影响水泵运行效率，且底阀检修时困难，人们开始考虑寻找替代底阀的装置。1976年，四川省为降低民众使用水泵时的费用，同时方便操作，将水泵底阀去除作为一项技术进行普及，去掉底阀后水泵出水量增加，扬程得到有效提高，且操作简便，成本降低[3]。20世纪80年代，肖功宽对供水站采用无底阀抽水后的出水流量和扬程进行分析，出水流量提高6.1%，经济效益提高[4]。四川省眉山县水电局在单吸泵上采用水箱引水式无底阀抽水装置进行充水，底阀去除后水泵的出水量增加、单方水能耗下降、水泵效率提高[5]。杨济川对煤矿排水中采用离心泵无底阀排水的技能效果和优点进行了评价[6]。郭仁宁将取消底阀后的成本和效率进行了经济性分析，发现取消底阀存在节能效果[7]。董继良对无底阀装置的经济效益进行了分析，发现采用无底阀装置能够减少材料损耗，节约电能，提高设备使用寿命[8]。
　　1.2 无底阀抽水方法
　　取消底阀的节能效果明显，经济效益大且操作简便，因此人们提出了各种各样的无底阀抽水方法。张显一列举了水泵无底阀吸水的2个方式，即喷射系和真空罐吸水方式[11]，并对真空罐吸水方式优点进行介绍，该方式操作简单，易实现水泵自动化。肖功宽对当时已有的抽水方式和操作方法进行简单的阐释和说明，通过总结后将其分为3种：水气置换法、抽真空法和水射器引水法[9，10]。在水气置换法中水桶式无底阀和水箱式无底阀为现阶段较为常用的充水方式，工作原理见图1。
　　
　　通过引水排气阀6将水箱内灌水，随后关闭阀门，水泵开启后，因水泵离心力作用，叶轮旋转时水流被甩出叶轮，同时叶轮进口处形成真空，水箱2中的水因水泵内真空通过水泵进水管3进入水泵，同时因水泵进口与吸水管1所在水面形成压力差，水从吸水管1进入水箱2，从而形成连续抽水。
　　隨着研究的发展，无底阀抽水采用最多的为水气置换法，人们针对无底阀抽水装置中水箱提出了各种各样的看法，无底阀抽水装置的设计和改造[12-16]也趋于多样，并逐渐广泛地应用于石油、煤矿、城市供水以及农业灌排等方面，且随着计算机的发展，无底阀充水逐渐自动化。在设计上水箱样式主要为在长宽型箱体与长高型圆桶，水箱吸水管主要为分为2种，内部设吸水管，圆桶型水箱主要采用内部吸水管;外部设吸水管，该类吸水管口较第1种管口位置偏高，且大多数用于煤矿生产活动中。
　　1.3 无底阀水箱方法体积确定方法
　　无底阀装置中水箱代替底阀，是水泵与水面连通的主要结构。在第1次灌水启动后，水箱中会仍留有部分水，且水箱内会形成真空，待二次启动时无需再次灌水。水泵在启动后水箱压力与水面压力形成压力差，为确保压力差足够维持水泵中水流连续稳定，水箱容积主要有以下几种方法计算：
　　根据水箱吸水管的容积确定水箱容积，水箱的容积应大于吸水管容积的3倍以上[9，17]：
　　V=V管×K吸×K容
　　式中，V管为吸水管体积;K吸为水箱吸程变化;K容为容积系数，K容≥3。
　　根据使用经验，在正常压力下水箱内存水容积应大于空气容积的4倍，水箱最小容积为空气容积的5倍，但其空气容积必须小于水泵的最大允许气蚀容积[18]。
　　通过所选的水泵参数，结合伯努利方程和柏马定律得到水箱最小容积的计算公式：
　　Vmin=papa-γ（Hmax+h+v2/2g）[19]
　　式中，Pa为吸水井水面大气压，N/m3;Hmax为水泵的最大吸水高度，m;h为吸水管水头损失，m;v为吸水管的流速，m/s;γ为水的重度，N/m3;g为重力加速度9.807m/s2。 　　根据流体机械能守恒原则，确定水箱最小容积的公式：
　　V=V1+V2PP0[20]，
　　式中，V1为吸水管容积;V2为最小留水容积，P0为大气压力，所需水箱压力P。
　　2 现阶段研究存在问题
　　水泵无底阀充水目前在煤矿排水中使用较多，但在农业灌排中使用较少，通过研究可发现主要存在以下问题。
　　在无底阀充水装置的相关研究中，研究方向侧重于装置中水箱的结构设计，并未涉及相关参数的研究，没有较为全面的设计规范;无底阀充水装置中水箱第1次灌水量在相关研究中并未涉及;无底阀充水装置在运行时，水流进入水箱后因水体下坠会产生气泡，当水箱内水量过少时会造成水泵吸水管中出现气液两相流，影响水泵效率;无底阀抽水装置成本低，使用便捷，但在农村进行灌排时多采用人工充水法，无底阀充水装置并未普及。
　　3 无底阀充水装置研究的发展趋势
　　水泵无底阀充水能够有效地减少能耗，且无底阀充水装置成本低，操作方便，易于实现自动化，针对发现的问题给出了一定的分析意见和看法。
　　无底阀充水装置结构简单，虽然结构设计多种多样，但缺少对其相关参数的定量研究，针对不同水泵或是多台水泵同时运行的情况，无底阀充水装置的参数设计需要一定量的数据进行辅助参考，参数设计的理论体系与方法论研究仍待进一步发展。
　　无底阀充水装置采用水气置换进行充水，装置首次运行时，水箱第1次灌水量影响水泵抽水连续性，需要进一步结合水泵相关参数进行试验研究。
　　无底阀充水装置在运行时，当水箱内水量较少时会造成水泵进水管中出现气液两相流，在水泵进水管中含气率超过15%时，水泵性能将急剧恶化，可能出现断流，故需要对水泵运行时无底阀充水装置内水气变化进行研究，进一步分析水泵进水管内两相流变变化。
　　完善水价制度，针对性宣传无底阀充水的优点，提高农村民众节水意识。
　　参考文献
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　　（责任编辑 李媛媛）
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