高效節(jié)能水錘泵技術(shù)研究進(jìn)展

李甲振，楊開(kāi)林，任顯明，郭永鑫

(1. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2. 大慶油田第十采油廠供水大隊(duì)，黑龍江 大慶 166405)

水錘泵是一種利用低落差水能資源的水力機(jī)械，借助泄水閥和輸水閥周期性自動(dòng)交替啟閉產(chǎn)生的水錘作用，可將大量來(lái)水的低水頭位能集中轉(zhuǎn)換為其中一小部分水的高水頭位能，實(shí)現(xiàn)向高處泵水或向遠(yuǎn)處輸水的功能.

作為一種可再生/可持續(xù)能源的利用設(shè)備，水錘泵在0.5～10.0 m落差內(nèi)的工作效率可達(dá)50%～75%，提水性能優(yōu)于該水頭范圍內(nèi)水輪機(jī)—發(fā)電機(jī)—電泵的組合方案；水錘泵的運(yùn)動(dòng)部件只有泄水閥和輸水閥2個(gè)止回閥，結(jié)構(gòu)可靠，經(jīng)久耐用，可長(zhǎng)年累月連續(xù)運(yùn)行.據(jù)記載，英國(guó)坦布里奇韋爾斯的一臺(tái)水錘泵已經(jīng)運(yùn)行了100多年[1].除定期更換密封圈外，水錘泵不需要其他的維修養(yǎng)護(hù)，運(yùn)行成本低.由于省去了長(zhǎng)距離架設(shè)電線、修建變電站泵房、購(gòu)置運(yùn)送化石燃料以及人員維護(hù)等費(fèi)用，水錘泵在某些特定情況下的綜合效益遠(yuǎn)大于其他提水方式.以慈利縣新城區(qū)桑木溪村為例，采用傳統(tǒng)電泵抽水的前期投資在80萬(wàn)元以上，而利用水錘泵提水的前期投資僅為30萬(wàn)元；另一方面，利用水錘泵提水可節(jié)約5.0萬(wàn)元/年和1.8萬(wàn)元/年的電費(fèi)和人員管理費(fèi)用[2].因此，水錘泵成為了電泵可靠的替代方案之一[3-4].目前，有數(shù)十個(gè)國(guó)家和地區(qū)在生產(chǎn)和銷售水錘泵，一些慈善機(jī)構(gòu)、基金會(huì)和政府機(jī)構(gòu)也將水錘泵作為一項(xiàng)扶貧技術(shù)進(jìn)行了大范圍的推廣，通過(guò)解決工程性缺水問(wèn)題，使人們擺脫人力或畜力提水的束縛，從而助力脫貧.

世界上最早的水錘泵是WHITEHURST于1772年發(fā)明的，用于向山頂啤酒廠泵送工業(yè)用水，但它的泄水閥通過(guò)人工操作實(shí)現(xiàn)啟閉，因此，它在一定程度上只能稱為“手動(dòng)水錘泵”.1797年，MONTGOLFIER和ARGANT將泄水閥改進(jìn)為止回閥，在水流流速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)關(guān)閉，出現(xiàn)回流時(shí)開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)了水錘泵的自動(dòng)運(yùn)行功能.1816年，PIERCE在泵體上設(shè)置了進(jìn)氣孔，用以補(bǔ)充空氣罐內(nèi)被高壓水溶解的氣體，逐漸形成了現(xiàn)代自動(dòng)水錘泵(簡(jiǎn)稱為水錘泵)的完整結(jié)構(gòu).自此，水錘泵成了一種實(shí)用、高效、可靠的自動(dòng)提水工具，給20世紀(jì)前后歐美地區(qū)的農(nóng)場(chǎng)、山區(qū)居民的灌溉、生產(chǎn)和生活提供了極大的便利.之后，由于使用化石燃料的電動(dòng)機(jī)、電泵以及自來(lái)水的普及，水錘泵在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的應(yīng)用逐漸減少.但受限于經(jīng)濟(jì)因素、資源分布、交通不便或氣候惡劣等因素，全球范圍內(nèi)尚有超過(guò)15億人未能通電[5]；且大量使用化石燃料造成的環(huán)境污染也不斷加劇，人們開(kāi)始尋求節(jié)約型生產(chǎn).因此，水錘泵再次進(jìn)入了人們的視野.

為此，在對(duì)水錘泵技術(shù)進(jìn)行大量研究的基礎(chǔ)上，文中系統(tǒng)地梳理該技術(shù)在理論分析、產(chǎn)品研發(fā)、影響因素、工程應(yīng)用方面的研究進(jìn)展，并總結(jié)相關(guān)的研究難點(diǎn)及前沿問(wèn)題，以期為水錘泵技術(shù)的理論研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供借鑒和參考.

1 理論分析

一個(gè)典型的水錘泵系統(tǒng)由上池、動(dòng)力水管、水錘泵、下池、揚(yáng)水管和高位水池組成，如圖1a所示.① 上池為水錘泵提供恒定落差的微水能資源，也起到了過(guò)濾和沉淀的作用.② 動(dòng)力水管將水由上池導(dǎo)入水錘泵，并承受水錘高壓，建議采用波速較大(1 000～1 300 m/s)的鋼鐵材質(zhì).③ 下池為水錘泵的安裝和操作提供作業(yè)面，并將水導(dǎo)回原河道，以免浸蝕局部地基，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性.④ 揚(yáng)水管用于將水錘泵提升的水輸送至目標(biāo)區(qū)域，對(duì)材質(zhì)無(wú)特殊要求.⑤ 高位水池用于存儲(chǔ)水錘泵輸送的水量.上池與下池之間的水位差稱為作用水頭，記為H；高位水池與上池之間的水位差稱為揚(yáng)程，記為h；進(jìn)入下池的水量稱為泄水量，記為Q；進(jìn)入高位水池的水量稱為揚(yáng)水量，記為q.

圖1 水錘泵系統(tǒng)示意圖

水錘泵系統(tǒng)效率的計(jì)算方式有2種，分別為RANKINE效率和D′AUBUSSION效率.RANKINE效率η以上池水面為基準(zhǔn)，是指進(jìn)入高位水池的水所增加的能量與進(jìn)入下池的水所減小的能量之間的比值，計(jì)算公式為

(1)

D′AUBUSSION效率ηD以下池水面為基準(zhǔn)，是指水錘泵的輸出水能與輸入水能之間的比值，計(jì)算公式為

(2)

對(duì)比式(1)，(2)發(fā)現(xiàn)，D′AUBUSSION效率的分子和分母多了qH這一項(xiàng).由于效率值小于1，因此，D′AUBUSSION效率略大于RANKINE效率.

一個(gè)典型的水錘泵由泄水閥、輸水閥、泵體、進(jìn)氣孔和空氣罐組成，如圖1b所示.水錘泵的一個(gè)工作過(guò)程概述如下：① 初始時(shí)刻，泄水閥在重力或其他外力作用下開(kāi)啟，輸水閥在上側(cè)水壓力作用下關(guān)閉.上池低落差的水能資源經(jīng)由動(dòng)力水管進(jìn)入水錘泵、下池，并對(duì)泄水閥產(chǎn)生了驅(qū)使其關(guān)閉的作用力，如圖1a所示.當(dāng)水流作用力大于重力或其他外力時(shí)，水推動(dòng)泄水閥迅速關(guān)閉.② 由于泄水閥突然關(guān)閉，系統(tǒng)發(fā)生水錘作用，泵體內(nèi)壓力急劇增加.高壓推動(dòng)輸水閥打開(kāi)，水由泵體進(jìn)入空氣罐，如圖1b所示.進(jìn)入空氣罐內(nèi)的水，一部分直接經(jīng)由揚(yáng)水管到達(dá)高位水池，而大部分則通過(guò)壓縮空氣暫時(shí)存儲(chǔ)在空氣罐內(nèi).③ 由于空氣罐壓力增加，泵體壓力減小，輸水閥在上下壓差作用下再次關(guān)閉，泄水閥在重力或其他外力作用下重新開(kāi)啟，水錘泵進(jìn)入下一個(gè)工作過(guò)程，如圖1c所示.空氣會(huì)在系統(tǒng)出現(xiàn)回流時(shí)進(jìn)入水錘泵，并在下一工作過(guò)程輸水閥打開(kāi)時(shí)逸入空氣罐；暫時(shí)儲(chǔ)存在空氣罐內(nèi)的水，則借助壓縮氣體的緩慢膨脹，平穩(wěn)地輸送至高位水池.

針對(duì)水錘泵的理論研究，一種方法是根據(jù)泄水閥和輸水閥的狀態(tài)，將它的1個(gè)工作周期劃分為若干個(gè)工作階段，基于不可壓縮流動(dòng)方程積分求解每個(gè)階段的水量和時(shí)間，求和獲得水錘泵的工作周期、揚(yáng)水量、泄水量、效率等參數(shù).O′BRIEN和GOSLINE將水錘泵的1個(gè)工作周期劃分為4個(gè)階段，首次給出了自動(dòng)水錘泵工作運(yùn)行的合理解釋，但僅在泵水過(guò)程采用彈性水錘理論，其他階段采用剛性水錘理論[6].LANSFORD等[7]隨后將1個(gè)工作周期細(xì)化為6個(gè)階段，在O′BRIEN和GOSLINE的基礎(chǔ)上補(bǔ)充考慮了動(dòng)力水管和泄水閥的彈性作用，研究了水量和效率隨揚(yáng)程和作用水頭的變化趨勢(shì).他們假定泄水閥是以恒定加速度關(guān)閉的，輸水閥瞬間啟閉.KROL[8]分析了泄水閥在水流和重力作用下啟閉的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，假定輸水閥是在固定時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟和關(guān)閉的.TACKE[9]認(rèn)為2個(gè)閥門的啟閉過(guò)程是瞬間完成的，將水錘泵的1個(gè)工作周期簡(jiǎn)化為加速、減速和回水3個(gè)階段，推導(dǎo)了泵水量和總水量的數(shù)學(xué)表達(dá)式.INTHACHOT等[3]以及RENNIE等[10]也采用類似方法進(jìn)行了研究.

WYLIE和STREETER給出了特征線解法，可對(duì)水錘偏微分方程組進(jìn)行直接求解.VERSPUY等[11]將水錘泵簡(jiǎn)化為動(dòng)力水管下游的水位邊界，水流流速未達(dá)到臨界值為0，達(dá)到臨界流速后為實(shí)際揚(yáng)程.該模型未考慮泄水閥、輸水閥的運(yùn)動(dòng)特性，也未包含空氣罐.NAJM 等[12]構(gòu)建的模型首次考慮了水錘泵系統(tǒng)所有部件，假定泄水閥和輸水閥的開(kāi)度變化與時(shí)間滿足冪函數(shù)關(guān)系，冪指數(shù)為0.5，但并未對(duì)該假設(shè)的準(zhǔn)確性以及冪指數(shù)取值的合理性進(jìn)行分析.FILIPAN等[6]的模型給出了泄水閥的水動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，將輸水閥作為一個(gè)瞬間啟閉的止回閥.

水錘泵是借助泄水閥和輸水閥周期性自動(dòng)交替啟閉產(chǎn)生的水錘作用實(shí)現(xiàn)泵水的.已有理論研究對(duì)泄水閥和輸水閥啟閉過(guò)程的處理方式有2種：① 忽略閥門的啟閉動(dòng)態(tài)過(guò)程，認(rèn)為它們?cè)跐M足壓差條件的情況下瞬間開(kāi)啟或關(guān)閉.② 假定閥門以某一規(guī)律開(kāi)啟或關(guān)閉，如假定閥門的開(kāi)度變化與時(shí)間滿足線性關(guān)系或冪函數(shù)關(guān)系.但上述處理方式存在以下不足，亟待深入研究：① 假定的啟閉規(guī)律未經(jīng)過(guò)理論分析或模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，其合理性還有待進(jìn)一步研究.② 忽略或假定閥門的動(dòng)作過(guò)程，會(huì)使得人們無(wú)法掌握真實(shí)的壓力和水量特性，也就很難從理論上辨識(shí)影響水錘泵性能的關(guān)鍵因素并進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化.

2 產(chǎn)品研發(fā)

ANDERSON[1]對(duì)EASON和AMOS制造的原始水錘泵進(jìn)行了多年的研究，研發(fā)了ANDERSON水錘泵，也就是現(xiàn)在英國(guó)VULCAN水錘泵的前身.1985年至1997年的12 a間，Warwick大學(xué)對(duì)水錘泵進(jìn)行了大量研究，設(shè)計(jì)制造了S1，S2和P90等型號(hào)的水錘泵[6].考慮空氣罐內(nèi)的氣體會(huì)被高壓水溶解吸收，氣體體積逐漸減少，因此，常規(guī)水錘泵一般設(shè)置進(jìn)氣孔來(lái)補(bǔ)充被溶解的空氣；PLATPUS水錘泵利用橡膠氣囊將空氣限制在封閉空間內(nèi)，空氣不會(huì)被溶解，也就不需要設(shè)置進(jìn)氣孔了[13].除了較成熟的商業(yè)水錘泵外，一些專家、學(xué)者、科技愛(ài)好者也制造了一些水錘泵.MOATES[14]設(shè)計(jì)的水錘泵利用25 ft(7.62 m)的水源，可向90 ft(27.43 m)的高度每日揚(yáng)送2 160 gal(8.18 m3)的水量.中國(guó)20世紀(jì)60年代開(kāi)始發(fā)展水錘泵，浙江省新昌南明機(jī)械廠最早試制生產(chǎn)了中國(guó)第1臺(tái)自動(dòng)水錘泵.但該水錘泵的泄水閥與輸水閥容易損壞，難以滿足日開(kāi)關(guān)動(dòng)作4～8萬(wàn)次長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求，且會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，因此，未能大范圍地推廣應(yīng)用[15].目前，江、浙、川、閩等地區(qū)使用的水錘泵多以德國(guó)進(jìn)口產(chǎn)品為主.

近年來(lái)，高性能水錘泵產(chǎn)品的研發(fā)越來(lái)越多地使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)和有限元結(jié)構(gòu)分析技術(shù).針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中難以對(duì)流道進(jìn)行分析、研發(fā)經(jīng)費(fèi)高、周期長(zhǎng)的問(wèn)題，李甲振等[16]建立了水錘泵內(nèi)部流道的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，給出了水錘泵的流道評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.所研制的新型水錘泵效率最高可達(dá)70%，可將水揚(yáng)送至42倍作用水頭的高度[4].HARITH 等[17]利用Fluent分析了不同泄水閥開(kāi)度的過(guò)流特性，優(yōu)化后的配置能使泄水量減小20%～30%.王濤等[18]建立了水錘泵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析模型，分析了靜態(tài)強(qiáng)度和模態(tài)參數(shù)，指出了研究的水錘泵在空氣罐部位、尾水筒處以及底座后端連接處需要強(qiáng)化.

水錘泵作為電泵的可靠替代方案之一，在一些偏遠(yuǎn)的、落后的或通水通電不方便的地區(qū)，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值則更加凸顯.高性能水錘泵的研發(fā)以及相應(yīng)制造技術(shù)的普及，將會(huì)是未來(lái)研究的重點(diǎn)，在以下3個(gè)方面需要特別關(guān)注：① 簡(jiǎn)易的水錘泵制造或裝配技術(shù).利用市場(chǎng)上可購(gòu)置的管件、閥門、橡膠等原材料，在小型車間經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的切割、焊接或螺紋連接等操作，能夠?qū)崿F(xiàn)泵水功能即可.這對(duì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較落后的地區(qū)是十分重要的，因?yàn)槭袌?chǎng)上的成品水錘泵對(duì)這些地區(qū)而言通常是比較昂貴的.② 大型化的水錘泵制造技術(shù).亟須水錘泵技術(shù)的地區(qū)一般人口密度高、需水量大，安裝一臺(tái)大口徑水錘泵的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)大于安裝多臺(tái)小口徑水錘泵；另一方面，水錘泵用于水力發(fā)電、海水反滲透淡化或水力空氣壓縮等領(lǐng)域，也需要極大的水流量.因此，大型化水錘泵的制造技術(shù)也將是研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，其難點(diǎn)在于周期性啟閉的泄水閥和輸水閥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì).目前，世界范圍內(nèi)最大口徑水錘泵為500 mm，是位于北京市涼水河的新環(huán)保水錘泵[19].③ 輕型化或分體式水錘泵的研發(fā).水錘泵的質(zhì)量一般較大，如Rife水錘泵的質(zhì)量為256 kg(100 mm)，907 kg(200 mm)，VULCAN水錘泵的質(zhì)量為240 kg(100 mm)，1 678 kg(200 mm).水錘泵一般安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，大型運(yùn)輸車輛或施工機(jī)械有時(shí)難以到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，過(guò)大的質(zhì)量或整體式設(shè)備會(huì)給運(yùn)輸和安裝帶來(lái)極大的不便，因此，輕型化或分體式也是后續(xù)研究需要解決的問(wèn)題.

3 影響因素

水錘泵性能的影響因素主要有2方面：① 水錘泵系統(tǒng)的參數(shù)，包括作用水頭、揚(yáng)程、動(dòng)力水管和輸水管參數(shù)(長(zhǎng)度、直徑、管材、壁厚)等.② 水錘泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括泄水閥和輸水閥的型式和參數(shù)(孔口、開(kāi)度、閥瓣直徑和質(zhì)量等)、通氣孔的型式和尺寸、空氣罐體積等.對(duì)此，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了大量的研究，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)公式或規(guī)律.

SETHI 等[20]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了所研制水錘泵在不同作用水頭和揚(yáng)程的水力性能，并擬合了揚(yáng)水量的計(jì)算公式.鐘建立等[21]分析了BIL水錘泵在作用水頭為1.00，1.14和1.28 m，動(dòng)力水管為4，6和8 m工況下，揚(yáng)程為6，8和10 m的揚(yáng)水量，在此基礎(chǔ)上給出了動(dòng)力水管的優(yōu)化長(zhǎng)度.YOUNG[22]總結(jié)了水錘泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)公式，公式所使用的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取決于水錘泵口徑、揚(yáng)程、動(dòng)力水管材料及壁厚、泄水閥配置等因素.針對(duì)水錘泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，SUARDA等[23]研究了泄水閥孔口和閥瓣直徑對(duì)性能的影響.孔口和閥瓣直徑越大，水流旋渦越多，流速越??；隨著閥瓣直徑的增加，泄水閥的動(dòng)作時(shí)間減少，水錘泵的工作頻率增加.朱成祥[24]通過(guò)模型試驗(yàn)給出了典型水錘泵泄水閥的優(yōu)化配置.SURYAWAN等[25]研究發(fā)現(xiàn)，配置空氣罐能夠使試驗(yàn)水錘泵的工作效率由17.03%提升至52.99%；隨著空氣罐內(nèi)氣體體積的增加，水錘泵工作效率提升，泵體和空氣罐壓力峰值減小[26]；但當(dāng)空氣罐體積大于某一數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)效率受空氣罐體積影響較小[3].李甲振等[27]提出了空氣罐內(nèi)氣體熱力學(xué)過(guò)程多方指數(shù)的系統(tǒng)辨識(shí)方法.SUCIPTA等[28]研究了無(wú)進(jìn)氣孔、1 mm小孔和配置止回閥的1 mm小孔3種結(jié)構(gòu)的性能差異，結(jié)果表明，在1 mm小孔上配置止回閥能夠提升水錘泵的效率和揚(yáng)水量.

通過(guò)大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有關(guān)性能影響因素的研究，一般是針對(duì)某一種或某幾種特定水錘泵進(jìn)行試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式.但由于系統(tǒng)布置、水錘泵的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)配置不同，得到的經(jīng)驗(yàn)公式差別也較大.以動(dòng)力水管長(zhǎng)度的確定方法為例，歐美地區(qū)以作用水頭作為計(jì)算基準(zhǔn)，EYTELWEIN認(rèn)為是作用水頭和揚(yáng)程的函數(shù)，俄羅斯則通過(guò)管徑、作用水頭和頻率確定動(dòng)力水管長(zhǎng)度，KROL和KAHANGIRE給出的計(jì)算公式與泄水閥參數(shù)有關(guān).因此，在對(duì)某幾種水錘泵開(kāi)展模型試驗(yàn)、小數(shù)據(jù)量擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式，并不具有普遍適用性，只對(duì)特定水錘泵或工況有效.而水錘泵性能隨設(shè)備參數(shù)變化的趨勢(shì)性規(guī)律，如SUCIPTA和SUARDA建議進(jìn)氣孔配置止回閥、揚(yáng)水量隨泄水閥開(kāi)度的變化等，對(duì)于設(shè)計(jì)人員或使用者具有一定的實(shí)用價(jià)值.后續(xù)研究可結(jié)合完善的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析開(kāi)展，輔以必要的模型試驗(yàn)驗(yàn)證，得到趨勢(shì)性規(guī)律，以指導(dǎo)水錘泵的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試.

4 工程應(yīng)用

MONTGOLFIER發(fā)明水錘泵的目的是為造紙廠輸送水資源，之后，水錘泵被廣泛用于輸送工業(yè)生產(chǎn)用水、林田灌溉用水或日常生活用水.美國(guó)伊利諾伊州修建了可滿足1 200人日常用水的水錘泵站，日提水量227 m3/d.西雅圖的楓葉泵站安裝了2臺(tái)DN300水錘泵，可滿足當(dāng)?shù)鼐用袢粘Ｉ詈蜕址雷o(hù)的用水需求.坦桑尼亞的恩仲貝和姆貝亞地區(qū)分別修建了17座和12座水錘泵站，2 800多人從該工程直接受益，婦女和孩子不再需要長(zhǎng)距離挑水.INTHACHOT[3]在泰國(guó)清邁府薩蒙縣安裝了利用當(dāng)?shù)亓闩浼圃斓乃N泵，為山區(qū)咖啡樹泵送灌溉用水.

中國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始大量推廣和使用水錘泵.1987年，浙江省科委與德國(guó)不來(lái)梅海外研究與發(fā)展協(xié)會(huì)展開(kāi)合作，對(duì)水錘泵進(jìn)行示范推廣；截至2002年底，浙江省山村已推廣應(yīng)用700多臺(tái)水錘泵，數(shù)十萬(wàn)山區(qū)農(nóng)村人口直接受益，發(fā)展了小型山區(qū)自來(lái)水工程.之后，浙江省繼續(xù)推廣應(yīng)用水錘泵，僅麗水市松陽(yáng)縣就推廣了186臺(tái)，解決了666.67 hm2山地、農(nóng)田、茶園、果園的灌溉用水問(wèn)題，以及3個(gè)村的飲用水問(wèn)題.此外，四川省、福建省、湖北省等地區(qū)也對(duì)水錘泵進(jìn)行了大量的推廣應(yīng)用.

除提水外，經(jīng)探索后人們還發(fā)現(xiàn)了水錘泵在空氣壓縮、城鎮(zhèn)景觀制造、機(jī)械做功、微水能發(fā)電、海水淡化等領(lǐng)域也具有一定的應(yīng)用前景.PEARSALL通過(guò)增大空氣罐體積，將水錘泵轉(zhuǎn)換為高效空氣壓縮機(jī)，為德文郡的鑿巖機(jī)輸送濕冷空氣[1].楊開(kāi)林[19]自主原創(chuàng)了世界上最大的500 mm環(huán)保低噪水錘泵，將擋水堰上下游1.2 m落差的水泵送至橋面位置，制造了自動(dòng)噴泉景觀[29].ROBERTS等[30]將揚(yáng)水管和高位水池替換為活塞連桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)械做功.NGANGA等[31]設(shè)計(jì)了將水錘泵和傳統(tǒng)水電技術(shù)結(jié)合起來(lái)的聯(lián)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)在水流沖擊水輪機(jī)前，利用水錘泵提升水的勢(shì)能，優(yōu)化出力.聯(lián)合系統(tǒng)的電壓比不使用水錘泵的電壓大5倍，出力提升近15倍.張峰等[32]也提出了類似的技術(shù)，利用水錘泵將海水提升至高水庫(kù)，把潮汐的低水頭勢(shì)能轉(zhuǎn)化成高水頭勢(shì)能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抽水蓄能.在低壓反滲透海水淡化方面，MARATOS[33]研究后認(rèn)為，水錘泵可提供足夠的壓力，且在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上是可行的.作者在索爾福德大學(xué)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)裝置，但未見(jiàn)后續(xù)研究.

水錘泵尚缺乏具有普適性的、系統(tǒng)性的技術(shù)手冊(cè)，用來(lái)詳細(xì)介紹水錘泵選址、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維修等內(nèi)容.已有研究表明水錘泵在空氣壓縮、城鎮(zhèn)景觀制造等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景，但相關(guān)技術(shù)尚未成熟.

5 結(jié) 論

在適宜的工程條件下，水錘泵能夠解決長(zhǎng)距離架設(shè)電線帶來(lái)的高成本或高難度問(wèn)題、使用化石燃料電動(dòng)機(jī)帶來(lái)的環(huán)境污染或材料運(yùn)輸問(wèn)題、水力發(fā)電機(jī)微水頭運(yùn)行帶來(lái)的提水低效率問(wèn)題，應(yīng)用前景廣闊.以下關(guān)鍵問(wèn)題仍需深入研究.

1) 建立考慮泄水閥和輸水閥動(dòng)態(tài)啟閉過(guò)程的水錘泵運(yùn)行全過(guò)程理論模型，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論支撐.

2) 針對(duì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)落后地區(qū)、需水量大或水力發(fā)電等情形以及偏遠(yuǎn)山區(qū)的安裝和使用，發(fā)展簡(jiǎn)易的、大型化的和分體式的水錘泵制造技術(shù).

3) 系統(tǒng)總結(jié)水錘泵性能隨工程條件和設(shè)備參數(shù)變化的規(guī)律，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供參考.

4) 研究水錘泵在空氣壓縮、水力發(fā)電、海水淡化、機(jī)械做功等領(lǐng)域的應(yīng)用，以期服務(wù)于偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)的電能供應(yīng)、海島駐防的淡水和能源供應(yīng)、波浪能或潮汐能開(kāi)發(fā)等.