一種農(nóng)用水陸兩棲立式離心泵的設(shè)計(jì)

□陳立周小波蔣輝霞廖功磊李玉玲/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

一種農(nóng)用水陸兩棲立式離心泵的設(shè)計(jì)

□陳立周小波蔣輝霞廖功磊李玉玲/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

1概述

農(nóng)業(yè)提灌站是解決丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)用水的重要基礎(chǔ)設(shè)施，提灌站建設(shè)和更新改造是重要的民生工程和民心工程。但是受技術(shù)條件限制，在江河水位變幅較大的地區(qū)建設(shè)提灌站還存在一些技術(shù)瓶頸。有的提灌站為了保證在枯水季節(jié)能正常抽水，不得不選擇在洪水水位以下來建造。常用的辦法就是在洪水季節(jié)將電機(jī)、水泵、控制柜等拆除，或是修建復(fù)雜的水工建筑物，將洪水擋住，以確保洪水季節(jié)設(shè)備的安全。前一種辦法操作不便，后一種措施建設(shè)成本較大，為了解決上述技術(shù)問題，2012年，筆者在雅安市蘆山縣飛仙鎮(zhèn)三友村禾茂提灌站對水陸兩棲式水泵進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2技術(shù)方案

2.1試驗(yàn)示范泵站基本情況

試驗(yàn)提灌站位于蘆山縣飛仙鎮(zhèn)三友村，取水河流洪枯季節(jié)水位變幅較大，修筑擋水建筑物困難，比較適宜采用兩棲式水泵。該站建成后，可有效改善周圍33.33hm2耕地的農(nóng)業(yè)灌溉條件。提灌站設(shè)計(jì)水位海拔高程327m，最高水位332m，最低水位326m，出水口高程344m，凈揚(yáng)程為17m，管線長度180m。2.2水泵參數(shù)計(jì)算

2.2.1流量計(jì)算

飛仙鎮(zhèn)三友村禾茂提灌站灌區(qū)內(nèi)種植的農(nóng)作物主要為水稻、玉米、油菜，按水稻的灌水定額計(jì)算，水稻的灌溉用水基準(zhǔn)定額m=750m3/hm2，灌區(qū)面積為33.33hm2。機(jī)泵每天運(yùn)行時間按20h計(jì)，輪灌天數(shù)按10d計(jì)，水利用系數(shù)按80%計(jì)。根據(jù)以上基本資料，灌溉需水量的計(jì)算為：

式中：m—用水定額，m3/hm2；

w—控制灌區(qū)面積，hm2；

t—日均運(yùn)行時間，h；

T—輪灌周期，d；

η—水利用系數(shù)。

2.2.2揚(yáng)程計(jì)算

工程進(jìn)水管管材采用鋼管，出水管管材采用PE管，100級，1.0MPa。主管流量為156.25m3/h，按給排水設(shè)計(jì)規(guī)范要求，生產(chǎn)生活用水給水管道內(nèi)的水流速度不宜大于2.5m/s，取2m/s，據(jù)此計(jì)算主管管徑：

查管材產(chǎn)品目錄，確定主管管徑為外徑φ200mm（1.0MPa對應(yīng)內(nèi)徑為176mm）。

2.2.3揚(yáng)程計(jì)算

沿程損失hf的計(jì)算公式為：

式中：λ—管道沿程阻力系數(shù)；

L—管道長度，m；

d—管道內(nèi)徑，mm；

V—管道過水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s；

g—重力加速度，g=9.81m/s2。

局部損失hj的計(jì)算公式為：

式中：ξ—局部阻力系數(shù)，與局部阻力類型有關(guān)；

V—管道過水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s；

g—重力加速度，g=9.81m/s2。

總揚(yáng)程計(jì)算：

水泵配套的電動機(jī)容量按水泵運(yùn)行可能出現(xiàn)的最大軸功率進(jìn)行選配，并留有一定的儲備。儲備系數(shù)k選1.20，機(jī)組設(shè)備效率按80%計(jì)。軸功率：

配套電機(jī)功率：P＝kP

根據(jù)電機(jī)功率標(biāo)準(zhǔn)，選取配套電機(jī)功率為18.5kW。

2.3確定樣機(jī)參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算，確定出樣機(jī)參數(shù)，如表1所示。

表1樣機(jī)參數(shù)

圖1水陸兩棲立式離心泵結(jié)構(gòu)圖

2.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)組采用IS泵葉輪模型，動力機(jī)采用潛水式電機(jī)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上解決了電機(jī)在任何情況下均能可靠地冷卻，實(shí)現(xiàn)機(jī)組兩棲式作業(yè)。水陸兩棲立式離心泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.4.1泵體

IS泵葉輪成熟可靠，參數(shù)范圍基本能涵蓋常用小型提灌站所需參數(shù)，因此，在此次產(chǎn)品開發(fā)中，選用該種葉輪作為兩棲泵核心部件。泵殼結(jié)構(gòu)則兼顧流道和立式安裝的需要。電機(jī)與泵殼通過連接環(huán)連接，葉輪轉(zhuǎn)軸與電機(jī)加長軸直接連接。

2.4.2冷卻部分

水泵運(yùn)行時，從泵出口引一小部分水作為電機(jī)冷卻用水，由冷卻循環(huán)水路始端進(jìn)入熱交換腔。冷卻水在熱交換腔內(nèi)與潛水電機(jī)的殼體接觸，進(jìn)行熱交換，達(dá)到為潛水電機(jī)冷卻的目的。熱交換后的水從回水管上的喇叭口進(jìn)入回水管，然后經(jīng)由軟管進(jìn)入泵進(jìn)口，完成水陸兩棲立式離心泵的整個冷卻循環(huán)過程。

2.4.3聯(lián)接部分

聯(lián)接部分采用計(jì)算機(jī)3D模擬設(shè)計(jì)，整體開模，整體鑄造，裝拆簡便，工藝性良好，材料采用灰鑄鐵HT200，材料材質(zhì)疏松韌性好，吸震能力突出，抗彎扭矩能力強(qiáng)；鑄鐵成本較低，對降低整機(jī)成本有利。

2.5水泵的性能測試

2.5.1試驗(yàn)條件

該樣機(jī)在B級精度試驗(yàn)臺上進(jìn)行了試驗(yàn)，主要試驗(yàn)裝置包括：樣機(jī)、信號傳感器、信號接收分析處理器、試驗(yàn)綜合起動控制柜、試驗(yàn)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)閥、進(jìn)出水管道、水池等。

2.5.2試驗(yàn)方法

采用“水泵性能試驗(yàn)檢測控制系統(tǒng)”進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)檢測，試驗(yàn)步驟如下：

1）連接組合整套試驗(yàn)樣機(jī)，在水泵、電機(jī)、出口管道等部位布設(shè)信號傳感器；

2）開啟試驗(yàn)綜合起動控制柜；

3）開啟試驗(yàn)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)閥，采集18個工況點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)；

4）信號接收分析處理器自動采集、分析、處理各種數(shù)據(jù)，生成樣機(jī)性能試驗(yàn)報告。

表2樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.5.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示：樣機(jī)性能曲線如圖2所示：

圖2樣機(jī)性能曲線圖

2.5.4試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及性能曲線可得：樣機(jī)在額定揚(yáng)程點(diǎn)流量為201.48m3/h；樣機(jī)在額定流量點(diǎn)揚(yáng)程為21.71m；樣機(jī)在交點(diǎn)處流量為184.82m3/h，揚(yáng)程為21.12m，軸功率為15.55kW；對比設(shè)計(jì)額定流量165m3/h，額定揚(yáng)程21m，額定功率18.5kW，可得出樣機(jī)試制取得成功的結(jié)論。

3示范站點(diǎn)應(yīng)用情況

2012年4月13日，在雅安市蘆山縣飛仙鎮(zhèn)三友村禾茂提灌站示范點(diǎn)，進(jìn)行了第一次試運(yùn)行。該站水工建筑物由取水前池、泵房、出水池等組成，機(jī)電設(shè)備由水陸兩棲立式離心泵、泵站綜合軟起動控制柜等組成，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備由管道、閥門及配套管、閥件等組成。

試運(yùn)行首先將機(jī)組安裝在陸地上連續(xù)工作4小時，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后從控制設(shè)備上讀得電流為35.2A，電壓為381V；然后將機(jī)組吊裝于水下模擬淹沒工況連續(xù)工作4小時，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后控制設(shè)備顯示電流為35.6A，電壓為384V；整個試機(jī)運(yùn)行時機(jī)組狀態(tài)穩(wěn)定，無明顯振動、噪音，管道出水端有約2m水頭，提灌站整體表現(xiàn)良好。試運(yùn)行表明，該水陸兩棲立式離心泵達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

該泵成功解決了提灌站在水位變幅較大地區(qū)取水復(fù)雜的問題，能有效避免此地區(qū)原本搬運(yùn)裝拆困難的情況，并減少提灌站建設(shè)初期的土建投資。在樣機(jī)試驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)一些瑕疵，如冷卻管道在長距離運(yùn)輸中容易損壞，冷卻水溫?zé)o法及時監(jiān)測，結(jié)構(gòu)材料需優(yōu)化等，有待在今后的改進(jìn)設(shè)計(jì)中進(jìn)一步完善。