FSH(M)農(nóng)用風(fēng)力提水機(jī)的水泵設(shè)計(jì)與特性分析

諾銳亭，袁麗偉 ，朱麗娜 ，馮帥，梁志鵬，胡建棟

(1.蘇丹科技大學(xué)，喀土穆 13314；2.錫林郭勒職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010051)

0 引言

風(fēng)力提水是人類利用風(fēng)能的最古老也是最重要的方式之一，通過機(jī)械能量傳動(dòng)裝置帶動(dòng)水泵，也可以通過轉(zhuǎn)換成電能帶動(dòng)電泵實(shí)現(xiàn)提水作業(yè)。水泵是風(fēng)力提水機(jī)組的重要組成部分，也是機(jī)組研發(fā)方面投入較大的項(xiàng)目。在干旱的草原，水泵的作用就是在動(dòng)力的作用下由低處向高處送水，形成水位差(壓差)達(dá)到要求的流量，解決人畜飲水問題。與風(fēng)力提水機(jī)配套的水泵，從結(jié)構(gòu)上可分為葉輪旋轉(zhuǎn)式水泵、活塞往復(fù)式水泵、空氣壓縮式水泵及膜片式水泵等。根據(jù)動(dòng)力源不同，可分為機(jī)械泵和電動(dòng)潛水泵兩大類。風(fēng)力提水機(jī)按使用的技術(shù)指標(biāo)，可分為低揚(yáng)程大流量型、中揚(yáng)程大流量型和高揚(yáng)程小流量型3種類型。離網(wǎng)、干旱、偏遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)、生活用水，一般使用機(jī)械式風(fēng)力提水機(jī)組。其中，風(fēng)力機(jī)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，而與之配套的水泵能否滿足水井條件和用戶需求，成為影響機(jī)組整體效益發(fā)揮的關(guān)鍵因素[1-2]。

1 兩種離網(wǎng)匹配水泵

1.1 離網(wǎng)水井與活塞水泵

在牧區(qū)，水井的主要類型有鋼管井、鑄鐵管井、塑料管井、水泥管井及大口井(也叫筒井、土井，一般用石塊壘砌成圓形)，水井涌水量、水質(zhì)、水位和井深等情況十分復(fù)雜。早期的風(fēng)力提水機(jī)配套使用的水泵均為拉桿活塞泵，作為生產(chǎn)、生活用的每一款風(fēng)力提水機(jī)組(包括風(fēng)力機(jī)和水泵)，其自身使用條件是有嚴(yán)格界定的。一定揚(yáng)程、流量的提水機(jī)只能在井深和涌水量滿足要求時(shí)才能正常工作。例如：當(dāng)井深超過機(jī)組標(biāo)定的揚(yáng)程，不但增加了機(jī)組負(fù)荷，而且還會(huì)降低機(jī)組工作效率甚至提不上水；當(dāng)井的涌水量小于機(jī)組最小提水量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，活塞式水泵空轉(zhuǎn)而失去水的潤(rùn)滑，加速磨損，破壞了密封性，使容積效率下降；若水質(zhì)不好，還會(huì)造成井管、拉桿、閥門及泵體等零部件腐蝕，降低使用壽命。據(jù)往年現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，安裝在當(dāng)?shù)氐囊慌_(tái)風(fēng)力提水機(jī)，配套水泵為雙作用提水泵，提水揚(yáng)程為10m，設(shè)計(jì)流量20t/h。試驗(yàn)時(shí)，在額定風(fēng)速下僅20min就把井水抽干，無人值守可能造成的后果是：風(fēng)輪在空負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)速度比正常運(yùn)轉(zhuǎn)加快，水泵內(nèi)無水干磨，機(jī)器會(huì)發(fā)生故障，影響使用效果，也降低了機(jī)組應(yīng)有的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)能使整機(jī)損毀。將這種活塞泵的徑向尺寸變小，成為“細(xì)長(zhǎng)型”泵體，可廣泛適用于牧區(qū)眾多的鋼管井、鑄鐵管井及塑料管井。

1.2 離網(wǎng)水井與膜片水泵

另一種配套水泵是新研發(fā)的適合離網(wǎng)牧區(qū)風(fēng)力提水機(jī)的拉桿囊式膜片泵，囊體采用新型復(fù)合橡膠材料，規(guī)避了水泵機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的磨損、滲漏及銹蝕等問題。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，既可以做成“細(xì)長(zhǎng)型”泵體，也可以做成“短粗型”泵體。載荷是導(dǎo)致失效直接原因，也是影響產(chǎn)品可靠性的重要因素。一般情況下，一個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠中安裝在不同位置的發(fā)電裝備的服役載荷歷程會(huì)有明顯的差別[3]。同樣，風(fēng)力提水裝備在干旱地區(qū)服役過程中經(jīng)歷的載荷時(shí)間歷程及其不確定性有明顯的特點(diǎn)。對(duì)于這種水泵，需從使用地域和時(shí)間兩個(gè)方面描述載荷歷程的特性， 并以此為基礎(chǔ) 研究其零部件，特別是膜片疲勞可靠性分析與建模方法。因此，對(duì)于與風(fēng)力提水機(jī)配套的水泵，必須充分考慮匹配條件，如當(dāng)?shù)氐乃乃|(zhì)情況、用水需求量、井深(提水高度)及涌水量大小等[4]。

2 拉桿活塞泵的設(shè)計(jì)

目前，排灌用箱涵式泵裝置的應(yīng)用較多，歷史較長(zhǎng)，業(yè)界對(duì)這方面的研究也越來越廣泛。借鑒雙向流道泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)工況下，大流量運(yùn)行效率可達(dá)70%以上，試驗(yàn)運(yùn)行與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。本項(xiàng)目涉及的泵型為適應(yīng)干旱草原的活塞拉桿泵。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

FSH—2.0～4.0型風(fēng)力提水機(jī)組出廠時(shí)均配有拉桿活塞泵。拉桿活塞泵主要由濾網(wǎng)、泵缸、上泵體、閥座、上下閥、閥門罩、活塞、泵管及拉桿等件構(gòu)成，如圖1所示。

工作過程：當(dāng)曲柄帶動(dòng)拉桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞上行，泵缸內(nèi)下面形成真空狀態(tài)，水在大氣壓力作用下打開下閥，進(jìn)入泵缸內(nèi)；當(dāng)活塞下行到下死點(diǎn)時(shí)，由于下閥自重和水的壓力作用而關(guān)閉。與此同時(shí)，活塞上閥被推開，拉桿推動(dòng)活塞下行，水充滿活塞上部空腔，當(dāng)活塞再向上行，就把水排出泵外。如此往復(fù)動(dòng)作，不斷把水提入泵管，輸入儲(chǔ)水池內(nèi)，完成一次提水過程。

2.2 拉桿活塞水泵特性的測(cè)定

以FSH—3.5型風(fēng)力提水機(jī)為例，風(fēng)輪直徑3.5m，設(shè)計(jì)的額定風(fēng)速為7m/s時(shí)，配套的水泵為90mm的活塞拉桿泵，起動(dòng)風(fēng)速為3m/s時(shí)即可少量提水。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了拉桿活塞泵的V-Q特性。實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于不同直徑的活塞泵(95/110mm)，在設(shè)定的提水高度，當(dāng)模擬風(fēng)機(jī)從起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，提水量呈線性增加。另外，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速取決于風(fēng)速的瞬時(shí)變化。當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)數(shù)120r/min時(shí)，提水量可達(dá)到2.8t/h。Φ90水泵V-Q特性曲線如圖2所示。因風(fēng)力機(jī)調(diào)速和限速作用，超過額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)開始調(diào)速，提水量并非呈線性增長(zhǎng)，有利于水井涌水的積累，可避免負(fù)荷減少或無水潤(rùn)滑而造成機(jī)械損傷等故障。

2.3 密封磨損試驗(yàn)

應(yīng)用于礦山、冶金、煤炭、水泥、陶瓷、電廠、石油、化工、鑄造、港口河道疏浚及污水處理等作業(yè)中的離心渣漿泵，用來輸送液體中含有各種形狀固體物的磨蝕性渣漿，泵的壽命和可靠性應(yīng)當(dāng)是比泵的原始投資價(jià)格和效率更為重要的考慮因素[5]。參照渣漿泵的磨損分析與選材，為了降低成本，活塞泵在最初設(shè)計(jì)時(shí)采用普通鑄件。隨著使用時(shí)間的推移，一般運(yùn)行7 200h以后就發(fā)生密封不嚴(yán)的問題。經(jīng)多年的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：水泵的密封性能下降主要是工作介質(zhì)變化和表面光潔度造成的，而造成這種現(xiàn)象的主要原因是銹蝕。這是因?yàn)槊恳粋€(gè)水源井的水質(zhì)不一，酸堿度差別很大，在一些井水pH值較高的井位上安裝的水泵，其中的緊固螺栓由于螺栓頭銹蝕變圓而無法拆除。為了抗銹蝕，推廣的水泵在選材上使用不銹鋼、有色金屬或非金屬材料，提高了水泵的抗腐蝕能力，可無故障運(yùn)行2年。實(shí)驗(yàn)室高強(qiáng)度連續(xù)運(yùn)行1 440h后，觀察水泵提水效率降低0.8%。主要是因?yàn)槊芊馊Φ哪p，需要更換密封圈，做好定期維護(hù)保養(yǎng)是關(guān)鍵。

2.4 水泵的匹配性

目前，國(guó)內(nèi)外為風(fēng)力提水機(jī)配套的水泵基本都是拉桿活塞泵，它適應(yīng)于水源穩(wěn)定、水位變化不大、水質(zhì)較好、特別是沒有顆粒物質(zhì)的水井條件?，F(xiàn)有泵徑系列為80/90/100/110mm，適用于口徑200mm以下的鑄鐵管井和塑料管井?；钊迷谧匀画h(huán)境下運(yùn)行，密封和磨損問題一直沒有很好解決，相對(duì)于風(fēng)力機(jī)15年的設(shè)計(jì)壽命，水泵磨損的短板影響了風(fēng)力提水機(jī)組的推廣應(yīng)用。過去，專門為風(fēng)力提水機(jī)研制了一種上下對(duì)接式膜片泵，解決了適應(yīng)牧區(qū)筒井水源條件和拉桿活塞存在的密封、磨損問題；但是膜片材料不過關(guān)、氣吸空間小，影響提水量和使用壽命，膜片疲勞性破損又增加維護(hù)保養(yǎng)工作量。

3 囊式膜片拉桿泵的設(shè)計(jì)

囊式膜片又稱空氣彈簧、波紋氣胎、橡膠氣囊等，廣泛應(yīng)用需要行程控制和隔震、減震的設(shè)施和部位。為改善車輛行駛的平順性，研究設(shè)計(jì)了帶有連接管路的帶附加氣室空氣彈簧特性試驗(yàn)系統(tǒng)，提出了帶附加氣室空氣彈簧系統(tǒng)靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)方案[6]，給本設(shè)計(jì)提供了啟發(fā)。本設(shè)計(jì)的泵徑限定在300mm，以便適用于大多是水泥管井和塑料管井，依據(jù)行程，確定曲囊為3個(gè)。這種塔型囊式膜片可偏轉(zhuǎn)、可曲撓、可實(shí)現(xiàn)力的柔性傳遞，是泵體結(jié)構(gòu)的核心部件，采用橡膠夾線制造，現(xiàn)有兩種型號(hào)。其關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 囊式膜片拉桿泵及囊體關(guān)鍵參數(shù)Table 1 The key parameters of the capsule type rod pump

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組裝

囊式膜片拉桿泵，包括囊式塔形膜片、上下托盤、拉桿、出水管接頭、限位盤、上下閥門；囊式膜片的上、下兩端分別用上托盤與上壓環(huán)、下托盤與下壓環(huán)固定，通過上下托盤、上下閥門和上下閥門座分別固定在上下閥門罩上。上閥門罩外面裝有出水管接頭，拉桿通過上閥門罩、上閥門與下閥門罩連接。安裝時(shí)將拉桿套上限位塊，擰入下閥門罩內(nèi)，并用限位塊鎖緊，支撐桿下端固接限位盤，中間設(shè)有兩個(gè)支撐環(huán)，上端設(shè)有限位環(huán)，支撐桿上端固接上托盤，在拉桿的上端安裝鎖母和長(zhǎng)螺母。囊式膜片在拉桿的作用下引起囊內(nèi)空間變化進(jìn)行泵水作業(yè)[7]，如圖3所示。

1.限位盤 2.下托盤螺栓 3.下壓環(huán) 4.下托盤 5.下閥門座 6.下閥門 7.下閥門罩 8.上限位塊 9.支撐環(huán) 10.支撐桿 11.限位環(huán) 12.支撐桿螺母 13.上壓環(huán) 14.上托盤 15.上托盤螺栓 16.長(zhǎng)螺母 17.安裝鎖母 18.拉桿 19.出水管接頭 20.上閥門罩 21.上閥門 22.上閥門座 23.上閥罩螺栓 24.囊式膜片 25.下閥罩螺栓

3.2 泵體的組裝

囊式塔形膜片用下閥門罩螺栓，通過下托盤，裝好下閥門座和下閥門，固定在下閥門罩上，將拉桿套上限位塊，擰入下閥門罩內(nèi)，并用限位塊鎖緊；套上塔形囊式膜片后，用下托盤螺栓，通過下托盤，夾上塔形囊式膜片，固定在下壓環(huán)上；用上閥門罩螺栓，通過上托盤，裝好上閥門座和上閥門，將其固定在上閥門罩上；用上托盤螺栓，通過出水管接頭、上托盤和囊式膜片固定在上壓環(huán)上；將支撐桿下端焊接在限位盤上；再在支撐桿的中間焊接兩個(gè)支撐環(huán)，上端焊接限位環(huán)，將支撐桿上端裝入上托盤的邊孔內(nèi)，用支撐桿螺母固定。

3.3 與風(fēng)力機(jī)的裝配

1)確定行程。將囊式塔形膜片與剛性部件安裝在一起成為泵體，用力向下推拉桿，當(dāng)再無法推動(dòng)時(shí)，說明下托盤已經(jīng)碰到限位盤，這時(shí)要在拉桿上做標(biāo)記，再向上用力提拉桿；當(dāng)無法上提時(shí)，證明限位塊已經(jīng)到上死點(diǎn)，在拉桿上同樣做標(biāo)記。這兩個(gè)記號(hào)的距離，是該泵的最大行程。參照離網(wǎng)牧區(qū)活塞泵的安裝方式，如果選擇風(fēng)力機(jī)作動(dòng)力與其配套，風(fēng)力機(jī)拉桿使用行程要小于囊式膜片拉桿泵制造行程30～50mm[8]。

2)井位安裝。把風(fēng)力機(jī)立在井位上，將其控制在剎車狀態(tài)，再把風(fēng)力機(jī)拉桿轉(zhuǎn)到下死點(diǎn)位置，固定住風(fēng)輪防止轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)使用要求和水位深度，計(jì)算出囊式膜片拉桿泵放入井內(nèi)時(shí)，該泵在水面以下500～600mm距離。出水管在井上面的出水口，要高于水罐進(jìn)水口300mm距離。按此要求確定出水管和風(fēng)力提水機(jī)長(zhǎng)拉桿長(zhǎng)度。把囊式膜片拉桿泵上的長(zhǎng)螺母，安裝在風(fēng)力提水機(jī)配套的長(zhǎng)拉桿上，并用該拉桿上的鎖母鎖緊，把長(zhǎng)拉桿插入出水管內(nèi)，將其固定在出水管接頭上，組合完畢將其放入井內(nèi)，再把長(zhǎng)拉桿與風(fēng)力機(jī)頂端拉桿連接在一起[3]。

由于囊式膜片拉桿泵的自重影響，該泵內(nèi)的限位塊，已接近上死點(diǎn)，為了防止碰撞，將出水管向上提升，提升的高度為泵的1個(gè)往復(fù)行程加15mm，并將其固定在塔架上。

3.4 工作過程

囊式膜片拉桿泵在安裝時(shí)放入井內(nèi)過程中，當(dāng)水位高于下閥門時(shí)，井水會(huì)沖開下閥門進(jìn)入泵內(nèi)；囊式膜片拉桿泵繼續(xù)下放時(shí)，井水又會(huì)沖開上閥門，把泵充滿，在重力的作用下，上、下閥門回復(fù)關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)拉桿在風(fēng)力提水機(jī)長(zhǎng)拉桿作用下上行時(shí)，囊式膜片拉桿泵內(nèi)的下閥門關(guān)閉，泵內(nèi)的水會(huì)沖開上閥門，進(jìn)入出水管；當(dāng)拉桿下行時(shí)，上閥門關(guān)閉，井水又會(huì)沖開下閥門進(jìn)入泵內(nèi)。這樣不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使囊式膜片拉桿泵連續(xù)工作。

3.5 性能優(yōu)勢(shì)

在實(shí)際應(yīng)用中，將一個(gè)典型風(fēng)力提水機(jī)用戶的拉桿活塞泵，替換為囊式膜片泵。截至目前，已經(jīng)安全無故障運(yùn)行4年，經(jīng)受住了一定的耐久性考驗(yàn)，特別是在濕地恢復(fù)試驗(yàn)中經(jīng)受住高寒地區(qū)冬季運(yùn)行的考驗(yàn)[9]。目前，在完成新能源水泵試驗(yàn)中心建設(shè)項(xiàng)目后，利用建筑物高度，每5m設(shè)置一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，共有8個(gè)試驗(yàn)觀測(cè)站。試運(yùn)行后，需對(duì)膜片泵各個(gè)觀測(cè)站的運(yùn)行特性進(jìn)行取值分析。擬利用軸對(duì)稱橡膠氣囊的幾何簡(jiǎn)化模型，使用網(wǎng)格理論、薄膜理論和層合板理論，分析膜片的內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變、簾線力和變形等。若得到預(yù)期的結(jié)果，還需足夠長(zhǎng)的時(shí)間，采用CFD技術(shù)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和模擬分析。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，其優(yōu)勢(shì)在于：①囊式膜片在拉桿的作用下，引起囊內(nèi)空間變化進(jìn)行泵水作業(yè)，除閥門和閥門座始終處于間斷接觸性開合狀態(tài)外，沒有摩擦件，密封性好，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)；②揚(yáng)程和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速對(duì)囊式膜片泵效率的影響不大；③可以輸送糊狀液體，對(duì)液體中含有顆粒比重大的混合物有很好的適應(yīng)性；④可以用作計(jì)量泵在化工、食品、制藥等行業(yè)使用，計(jì)量精度高，壓力穩(wěn)定；⑤相當(dāng)于機(jī)械式空氣壓縮機(jī)，可以用于淺水河道的大流量提水或者魚塘增氧作業(yè)。

4 結(jié)論

水泵一般都安裝在數(shù)米甚至數(shù)十米的井下，拆裝工作量很大，因此井下水泵易保養(yǎng)、免維護(hù)、適應(yīng)性強(qiáng)是設(shè)計(jì)者的目標(biāo)追求。拉桿活塞泵和囊式膜片泵的性能優(yōu)劣，取決于工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇。離網(wǎng)、干旱、偏遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)用，要結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源、水文水質(zhì)、水井種類、涌水量及提水揚(yáng)程等綜合因素來確定使用何種泵型?；钊迷谥睆?20mm以下的塑料管井和鑄鐵管井中，水源穩(wěn)定、水位變化不大及水質(zhì)較好時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。囊式膜片泵因塔形結(jié)構(gòu)而增大了泵水空間，采用夾簾線橡膠代替運(yùn)動(dòng)部件而規(guī)避了摩擦損傷導(dǎo)致的密封不嚴(yán)故障，提高了容積效率，增強(qiáng)了抗腐蝕能力，擴(kuò)大了適用范圍。

為了進(jìn)一步優(yōu)化和擴(kuò)展風(fēng)力提水機(jī)配套水泵試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)，擴(kuò)大電動(dòng)離心泵、潛水泵等的測(cè)試范圍，提供高質(zhì)量和權(quán)威性的社會(huì)服務(wù)工作，還需在生產(chǎn)實(shí)踐中認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)新能源水泵試驗(yàn)中心的設(shè)計(jì)，提高自動(dòng)化程度，使之具備自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試過程和“一鍵式”報(bào)表生成功能，并利用CFD技術(shù)在水泵與流體的瞬態(tài)測(cè)試、穩(wěn)態(tài)測(cè)試和氣蝕氣縛性能測(cè)試等功能實(shí)現(xiàn)方面取得進(jìn)展。