譚泉壩水輪泵的選型探討

張勇智

（寧鄉(xiāng)市水利水電建設(shè)總公司，湖南 長(zhǎng)沙410600）

1 基本情況

譚泉壩位于寧鄉(xiāng)市溈江一級(jí)支流大成橋河下游的大成橋鎮(zhèn)二泉村，壩址上游集水面積為135 km2，設(shè)計(jì)提水灌溉壩左岸的350畝水田，提水管道長(zhǎng)20 m。由于大成橋河沒(méi)有長(zhǎng)系列的水文資料，根據(jù)距離壩址18 km的石壩子水文站的資料，通過(guò)比擬法計(jì)算得到大成橋河譚泉壩址處8、9、10月80%頻率時(shí)的月平均徑流量分別為0.52 m3/s、0.32 m3/s、0.56 m3/s；譚泉壩上游設(shè)計(jì)水位為71.36 m，下游水位0.35 m3/s流量時(shí)為68.50 m，提水管出口中心線高程為73.00 m。根據(jù)上游來(lái)水、灌溉面積及提水高程的情況，初步確定D40-6型水輪泵。

2 水輪泵的機(jī)、泵的參數(shù)關(guān)系

水輪泵是以水輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)，直接帶動(dòng)水泵提水的灌溉機(jī)械。它是利用集中落差的水能，推動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)與其連在同一軸上的水泵做功，將低處的水提至高處。水輪泵與電機(jī)泵都是利用動(dòng)力機(jī)械將水從低處提至高處，只是電機(jī)泵的原動(dòng)機(jī)一般采用電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是硬特性，也就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不隨水泵負(fù)荷的變化而改變，在水泵的運(yùn)行中，只要水泵裝置特性不改變，水泵的運(yùn)行工況就不會(huì)改變。水輪泵的原動(dòng)機(jī)是水輪機(jī)，水輪機(jī)的自然機(jī)械特性是軟特性，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速是與水頭H和水輪機(jī)過(guò)流量Q相關(guān)，隨著水輪機(jī)工作水頭的變化，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)改變，運(yùn)行工況也會(huì)改變，相應(yīng)的會(huì)引起水泵運(yùn)行工況的改變，水輪機(jī)所產(chǎn)生的能是與水泵所作的工基本相同，它們之間的關(guān)系為：

η×Q×H=q×h

式中Q、H——水輪機(jī)的過(guò)流量（m3/s）和工作水頭（m）；

q、h——水泵的提水流量（m3/s）和提水揚(yáng)程（m）；

η——水輪泵總效率。

因而水泵的揚(yáng)程、提水流量、水輪泵的功率、過(guò)流量、轉(zhuǎn)速都是隨水輪機(jī)的工作水頭變化而變化。

根據(jù)水輪機(jī)的相似律，水輪機(jī)過(guò)水流量、轉(zhuǎn)速及功率參數(shù)與1 m水頭時(shí)的參數(shù)有以下關(guān)系：

式中Q、n、N、H——水輪機(jī)工作水頭時(shí)的過(guò)流量、轉(zhuǎn)速、輸出功率、工作水頭；

Q1、n1、N1——水輪機(jī)1 m水頭時(shí)的過(guò)流量、轉(zhuǎn)速、輸出功率。

根據(jù)水泵的相似律及比例律，水泵過(guò)水流量、轉(zhuǎn)速及功率參數(shù)與1 m水頭時(shí)的參數(shù)有以下關(guān)系：

式中q、h、p、n——水泵在水輪機(jī)工作水頭轉(zhuǎn)速時(shí)的提水量、揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速；

q1、h1、p1、n1——水泵在水輪機(jī)1 m工作水頭轉(zhuǎn)速時(shí)的提水量、揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速。

由上面的關(guān)系式可見(jiàn)，選定水輪泵后，40 cm轉(zhuǎn)輪下的水輪泵都是采用固定葉片和固定導(dǎo)葉，所以其過(guò)水流量、轉(zhuǎn)速及輸出功率都是由水輪機(jī)的工作水頭決定的，而與水輪機(jī)連接的水泵的揚(yáng)程、提水流量、功率都是由水泵葉輪的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的，故水泵的揚(yáng)程、提水流量、功率與水輪機(jī)的工作水頭緊密相關(guān)，具體見(jiàn)圖1。

圖1 水泵的揚(yáng)程、提水流量、功率與水輪機(jī)的工作水頭關(guān)系曲線

3 初選水輪泵的性能參數(shù)及運(yùn)行工況

根據(jù)《水輪泵》（GB/T 6490-2008）標(biāo)準(zhǔn)，在常溫清水下，D40-6水輪泵在1 m工作水頭時(shí)的工作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 D40-6水輪泵在1 m工作水頭時(shí)的工作參數(shù)

根據(jù)水輪泵裝置圖（圖2）可知，水輪泵在工作時(shí)，原動(dòng)機(jī)部分水輪機(jī)流道會(huì)有水頭損失，提水部分水泵流道會(huì)有揚(yáng)程損失，故水輪機(jī)的工作水頭和水泵的提水揚(yáng)程分別為：

圖2 水輪泵裝置圖

式中H凈——水輪機(jī)工作凈水頭；

H——水輪機(jī)工作總水頭；

H損——流道水頭損失；

ξ——水頭損失系數(shù)。

h總=h+h損

式中h總——水泵提水總揚(yáng)程；

h——水泵提水凈揚(yáng)程；

h損——水泵出水管道揚(yáng)程損失；

λ——沿程揚(yáng)程損失系數(shù)；

l、d——水泵出水管的長(zhǎng)度及直徑；

ξ——局部揚(yáng)程損失系數(shù)。

因水輪機(jī)流道的水頭損失隨流量的變化改變不大，取總水頭的0.95 m；當(dāng)水泵的管道及裝置確定以后，揚(yáng)程損失主要與流速相關(guān)，根據(jù)水輪機(jī)、水泵的相似律、比例律、水頭、揚(yáng)程計(jì)算公式，水輪泵在不同工作水關(guān)下的運(yùn)行工況見(jiàn)表2。

表2 水輪泵在不同工作水關(guān)下的運(yùn)行工況

由表2可以看出水輪泵在設(shè)計(jì)保證率80%的情況下，控制上游水位在69.2～69.3 m時(shí)在來(lái)水量為0.32 m3/s時(shí)，能保證提水流量在34 L/s，基本滿足設(shè)計(jì)提水流量的要求，只是因運(yùn)行水位低，機(jī)組在安裝時(shí)基礎(chǔ)開(kāi)挖工程量較大。由于水輪泵的工況與工作水頭相關(guān)，故在設(shè)計(jì)時(shí)可以在保證水輪泵提水流量的情況下，通過(guò)降低水輪泵的工作水頭來(lái)減少水輪機(jī)的過(guò)水量，以滿足灌溉的要求。