真空引水裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算＊

□盧珍 周小波 曾文明 李玉玲 李光輝/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

1 引言

近年來，隨著國家對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的大力支持，信息化提灌站、智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的建設(shè)越來越多。首部系統(tǒng)的引水方式有多種，其中，真空引水裝置因具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、便于自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)而得到大力推廣和應(yīng)用。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于真空引水裝置設(shè)計(jì)不合理、管道水力損失計(jì)算不正確等諸多因素，造成真空引水裝置吸水不能滿足要求、水泵運(yùn)行不正常等問題時(shí)有出現(xiàn)。因此，筆者結(jié)合設(shè)計(jì)工作中遇到的問題，對(duì)真空引水裝置的正確設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并提出相關(guān)注意事項(xiàng)，為工程設(shè)計(jì)人員提供一定的參考。

2 真空引水裝置介紹

真空引水裝置屬于一種氣密性良好的封閉式罐子，由進(jìn)水管、出水管、罐體、灌水閥和排氣閥等組成，其進(jìn)水管連接吸水管道，出水管連接水泵進(jìn)水管。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

真空引水裝置的工作原理是水泵啟動(dòng)前，先開啟灌水閥和排氣閥，通過灌水閥向罐體內(nèi)灌水，當(dāng)排氣閥處有水流出時(shí)，關(guān)閉灌水閥和排氣閥，然后啟動(dòng)水泵，當(dāng)水泵啟動(dòng)后罐體內(nèi)的水量逐漸減少，從而使罐體內(nèi)產(chǎn)生一定的真空，在此真空的作用下，水從進(jìn)水池經(jīng)吸水管道進(jìn)入真空引水裝置，此后在保證裝置氣密性良好的狀態(tài)下即可不用灌水直接啟動(dòng)。

3 真空引水裝置設(shè)計(jì)

3.1 基本參數(shù)

當(dāng)?shù)卮髿鈮?5.5KPa，最高水溫28℃；水泵流量0.012m3/s，汽蝕余量2.5m；吸水管為焊接鋼管，直徑0.10m，總長度7.90m；喇叭口1個(gè)，大徑0.15m，小徑0.10m；90°彎頭2個(gè)，直徑0.10m；真空引水裝置安裝平面距離進(jìn)水池液面最低水位3.00m。具體詳見圖2所示。

圖 1 真空引水裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 裝置參數(shù)計(jì)算

根據(jù)基本參數(shù)計(jì)算確定滿足要求的裝置參數(shù)。下面采用氣體等溫變化下的波義耳定律進(jìn)行水泵啟動(dòng)前后空氣體積變化計(jì)算。計(jì)算過程如下：

1）水泵啟動(dòng)前氣體體積V1計(jì)算如下：

圖 2 安裝示意圖

式中：Va為吸水管內(nèi)空氣體積，m3；Vb為灌滿水后罐子內(nèi)空氣體積，m3；d為吸水管道直徑，m；D為罐子直徑，m，初步設(shè)計(jì)為0.7m；L為吸水管長度與裝置進(jìn)水管長度總和，m；h為灌滿水后罐子內(nèi)空氣高度，m。則：

2）吸水管內(nèi)流速v計(jì)算如下：

式中：Q為水泵流量，m3/s；d為吸水管直徑，m。則：

3）吸水管內(nèi)水力損失h計(jì)算如下：

式中：hj為沿程損失，m；hi為局部水頭損失，m；hv為速度水頭，m；λ為摩擦系數(shù)，m；查表取0.025[1]；L為吸水管長度與裝置進(jìn)水管長度總和，m；v為吸水管內(nèi)流速，m/s；d為吸水管直徑，m；ζ為局部阻力系數(shù)，查表喇叭口取0.2；90°彎頭取0.3[1]。則：

4）水泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)的氣體壓力P2計(jì)算如下：

式中：P1為水泵啟動(dòng)前裝置內(nèi)氣體壓力，與外界大氣壓相同，為95.5KPa；h為吸水管道水力損失，m；ha為真空引水裝置進(jìn)水管上端面距離進(jìn)水池液面最低水位的高差，真空引水裝置的高度初步設(shè)計(jì)為1.4m。則：

5）水泵啟動(dòng)后氣體體積V2計(jì)算如下：

式中：P1為水泵啟動(dòng)前裝置內(nèi)氣體壓力，與外界大氣壓相同，為95.5KPa；V1為水泵啟動(dòng)前氣體體積，m3；P2為水泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)的氣體壓力，KPa。則：

6）水泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)液位下降的高度H1計(jì)算如下：

式中：V2為水泵啟動(dòng)后氣體體積，m3；A為裝置的截面積減去進(jìn)水管道的截面積，m2。則：

7）真空引水裝置高度H計(jì)算如下：

式中：H2為裝置出水管中心線的最低淹沒深度，m；H3為裝置出水管中心線距離裝置底部的高度，m；H4為水泵啟動(dòng)前裝置內(nèi)空氣高度，m。則：

可見真空引水裝置的計(jì)算高度小于初步設(shè)計(jì)值1.40m，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。為了施工方便，并考慮一定的余量，將裝置高度取為1.20m。

8）真空引水裝置高度與直徑的比值：

裝置的高度與直徑的比值范圍一般取1.2～1.8。上述計(jì)算結(jié)果為裝置直徑0.7m，高度1.2m，高度與直徑的比值為1.71，滿足要求。

9）泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)最小壓力P2min計(jì)算如下：

式中：H2為裝置出水管中心線的最低淹沒高度，m；hc為水泵進(jìn)水管內(nèi)水力損失，m；[NPSH]為水泵許用汽蝕余量，m，通常取[NPSH]=（1.1～1.5）NPSHr（水泵汽蝕余量），本設(shè)計(jì)取1.4m，Pv為水泵安裝所在地最高水溫下的飽和蒸汽壓力，KPa，本設(shè)計(jì)為3.78KPa。則：

因此，為了保證水泵進(jìn)口不發(fā)生汽蝕問題，確保水泵的正常運(yùn)行，水泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)的壓力必須大于等于36.55KPa。由（4）式計(jì)算結(jié)果可知，P2=42.72KPa＞P2min，符合要求。

如果計(jì)算結(jié)果不滿足要求，將對(duì)初步設(shè)計(jì)的裝置直徑進(jìn)行調(diào)整，再重復(fù)上述1）～9）的計(jì)算過程。

4 注意事項(xiàng)

真空引水裝置作為一種簡單而實(shí)用的引水設(shè)備，應(yīng)通過正確的計(jì)算確定其參數(shù)，使之與吸水管路和水泵相匹配，同時(shí)有以下幾個(gè)注意事項(xiàng)：在條件允許的情況下，盡量降低裝置的安裝高度；裝置應(yīng)安裝在水源附近，盡量縮短吸水管道的長度和減少彎頭等管件的個(gè)數(shù)；保證裝置有良好的氣密性。