FSH(M)农用风力提水机的水泵设计与特性分析

ＦＳＨ(Ｍ)农用风力提水机的水泵设计与特性分析诺锐亭１ꎬ袁丽伟２ꎬ朱丽娜２ꎬ冯帅３ꎬ梁志鹏３ꎬ胡建栋２

(１.苏丹科技大学ꎬ喀土穆㊀１３３１４ꎻ２.锡林郭勒职业学院ꎬ内蒙古锡林浩特㊀０２６０００ꎻ３.内蒙古工业大学ꎬ呼和浩特㊀０１００５１)

摘㊀要:与风力提水机配套的水泵是机组的关键部件ꎬ一般为高扬程㊁小流量型的活塞泵和膜片泵ꎮ为了进一步提高机组的使用效率ꎬ结合近几年应用检验和实验室模拟ꎬ分析了两种水泵的结构设计㊁安装方法和性能优势ꎮ针对不同水文水质的水井ꎬ合理匹配水泵对提高机组的使用效率和工作寿命㊁拓展其他应用领域具有借鉴意义ꎮ活塞泵在直径１２０ｍｍ以下的塑料管井和铸铁管井中具有优势ꎬ但对水质要求较高ꎮ囊式膜片泵因采用帘线橡胶代替运动部件而规避了摩擦损伤导致的密封不严故障ꎬ提高了容积效率ꎬ增强了抗腐蚀能力ꎬ扩大了适用范围ꎮ通过新能源(风力)提水泵试验中心ꎬ可进一步检验活塞泵㊁膜片泵及其他水泵特性ꎬ为利用ＣＦＤ技术在水泵与流体的瞬态测试㊁稳态测试和气蚀气缚性能测试等功能实现方面奠定了基础ꎮ

关键词:活塞泵ꎻ囊式膜片泵ꎻ风力提水机ꎻ特性分析

中图分类号:Ｓ２３７㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ文章编号:１００３－１８８Ｘ(２０１９)０４－０２４６－０５

０㊀引言

风力提水是人类利用风能的最古老也是最重要的方式之一ꎬ通过机械能量传动装置带动水泵ꎬ也可以通过转换成电能带动电泵实现提水作业ꎮ水泵是风力提水机组的重要组成部分ꎬ也是机组研发方面投入较大的项目ꎮ在干旱的草原ꎬ水泵的作用就是在动力的作用下由低处向高处送水ꎬ形成水位差(压差)达到要求的流量ꎬ解决人畜饮水问题ꎮ与风力提水机配套的水泵ꎬ从结构上可分为叶轮旋转式水泵㊁活塞往复式水泵㊁空气压缩式水泵及膜片式水泵等ꎮ根据动力源不同ꎬ可分为机械泵和电动潜水泵两大类ꎮ风力提水机按使用的技术指标ꎬ可分为低扬程大流量型㊁中扬程大流量型和高扬程小流量型３种类型ꎮ离网㊁干旱㊁偏远地区的生产㊁生活用水ꎬ一般使用机械式风力提水机组ꎮ其中ꎬ风力机技术已经日趋成熟ꎬ而与之配套的水泵能否满足水井条件和用户需求ꎬ成为影响机组整体效益发挥的关键因素[１－２]ꎮ

１㊀两种离网匹配水泵

收稿日期:２０１８－０１－２０

基金项目:科技部国际杰青来华工作项目(苏丹－１７－０３ꎬ国科交字[２０１７]２３号)ꎻ国家自然科学基金项目(５１３６５０３４)ꎻ内蒙古

人才开发基金项目(内人社办发[２０１５]２７２号)ꎻ内蒙古自治

区 草原英才 项目(内组通字[２０１６]４０号)

作者简介:诺锐亭(１９７４－)ꎬ男ꎬ苏丹喀土穆人ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)ａｂｄａｌｌａｋｈｅｉｒｙ＠ｇｍａｉｌ.ｃｏｍꎮ

通讯作者:胡建栋(１９６６－)ꎬ男ꎬ内蒙古锡林浩特人ꎬ教授ꎬ硕士ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)２００８ｈｊｄ＠ｓｉｎａ.ｃｏｍꎮ１.１㊀离网水井与活塞水泵

在牧区ꎬ水井的主要类型有钢管井㊁铸铁管井㊁塑料管井㊁水泥管井及大口井(也叫筒井㊁土井ꎬ一般用石块垒砌成圆形)ꎬ水井涌水量㊁水质㊁水位和井深等情况十分复杂ꎮ早期的风力提水机配套使用的水泵均为拉杆活塞泵ꎬ作为生产㊁生活用的每一款风力提水机组(包括风力机和水泵)ꎬ其自身使用条件是有严格界定的ꎮ一定扬程㊁流量的提水机只能在井深和涌水量满足要求时才能正常工作ꎮ例如:当井深超过机组标定的扬程ꎬ不但增加了机组负荷ꎬ而且还会降低机组工作效率甚至提不上水ꎻ当井的涌水量小于机组最小提水量标准时ꎬ活塞式水泵空转而失去水的润滑ꎬ加速磨损ꎬ破坏了密封性ꎬ使容积效率下降ꎻ若水质不好ꎬ还会造成井管㊁拉杆㊁阀门及泵体等零部件腐蚀ꎬ降低使用寿命ꎮ据往年现场观测ꎬ安装在当地的一台风力提水机ꎬ配套水泵为双作用提水泵ꎬ提水扬程为１０ｍꎬ设计流量２０ｔ/ｈꎮ试验时ꎬ在额定风速下仅

２０ｍｉｎ就把井水抽干ꎬ无人值守可能造成的后果是:风轮在空负荷下运转速度比正常运转加快ꎬ水泵内无水干磨ꎬ机器会发生故障ꎬ影响使用效果ꎬ也降低了机组应有的使用寿命ꎬ严重时能使整机损毁ꎮ将这种活塞泵的径向尺寸变小ꎬ成为 细长型 泵体ꎬ可广泛适用于牧区众多的钢管井㊁铸铁管井及塑料管井ꎮ

１.２㊀离网水井与膜片水泵

另一种配套水泵是新研发的适合离网牧区风力提水机的拉杆囊式膜片泵ꎬ囊体采用新型复合橡胶材料ꎬ规避了水泵机械运动部件的磨损㊁渗漏及锈蚀等

问题ꎮ根据不同应用场景ꎬ既可以做成 细长型 泵

体ꎬ也可以做成 短粗型 泵体ꎮ载荷是导致失效直接

原因ꎬ也是影响产品可靠性的重要因素ꎮ一般情况

下ꎬ一个风力发电厂中安装在不同位置的发电装备的

服役载荷历程会有明显的差别[３]ꎮ同样ꎬ风力提水装备在干旱地区服役过程中经历的载荷时间历程及其

不确定性有明显的特点ꎮ对于这种水泵ꎬ需从使用地

域和时间两个方面描述载荷历程的特性ꎬ并以此为基

础研究其零部件ꎬ特别是膜片疲劳可靠性分析与建模

方法ꎮ因此ꎬ对于与风力提水机配套的水泵ꎬ必须充

分考虑匹配条件ꎬ如当地的水文水质情况㊁用水需求

量㊁井深(提水高度)及涌水量大小等[４]ꎮ

２㊀拉杆活塞泵的设计

目前ꎬ排灌用箱涵式泵装置的应用较多ꎬ历史较

长ꎬ业界对这方面的研究也越来越广泛ꎮ借鉴双向流

道泵的优化设计与试验经验ꎬ在设计工况下ꎬ大流量

运行效率可达７０％以上ꎬ试验运行与数值模拟结果吻

合较好ꎮ本项目涉及的泵型为适应干旱草原的活塞

拉杆泵ꎮ

２.１㊀结构组成

ＦＳＨ ２.０~４.０型风力提水机组出厂时均配有拉杆活塞泵ꎮ拉杆活塞泵主要由滤网㊁泵缸㊁上泵体㊁阀座㊁上下阀㊁阀门罩㊁活塞㊁泵管及拉杆等件构成ꎬ如图１所示ꎮ

１.滤网㊀２.阀门座㊀３.阀㊀４.阀门罩㊀５.活塞㊀６.活塞上盖

７.夹板㊀８.弹簧下套㊀９.缸体㊀１０.膜片㊀１１.弹簧

１２.上壳体㊀１３.弹簧上套㊀１４.接盘㊀１５.出水口㊀１６.拉杆

图１㊀活塞拉杆泵装配图

Ｆｉｇ.１㊀ＡｓｓｅｍｂｌｙＤｒａｗｉｎｇｏｆＰｉｓｔｏｎＲｏｄＰｕｍｐ

工作过程:当曲柄带动拉杆上下往复运动时ꎬ活塞上行ꎬ泵缸内下面形成真空状态ꎬ水在大气压力作用下打开下阀ꎬ进入泵缸内ꎻ当活塞下行到下死点时ꎬ由于下阀自重和水的压力作用而关闭ꎮ与此同时ꎬ活塞上阀被推开ꎬ拉杆推动活塞下行ꎬ水充满活塞上部空腔ꎬ当活塞再向上行ꎬ就把水排出泵外ꎮ如此往复动作ꎬ不断把水提入泵管ꎬ输入储水池内ꎬ完成一次提水过程ꎮ

２.２㊀拉杆活塞水泵特性的测定

以ＦＳＨ ３.５型风力提水机为例ꎬ风轮直径３.５ｍꎬ设计的额定风速为７ｍ/ｓ时ꎬ配套的水泵为９０ｍｍ的活塞拉杆泵ꎬ起动风速为３ｍ/ｓ时即可少量提水ꎮ实验室测定的结果进一步验证了拉杆活塞泵的Ｖ－Ｑ特性ꎮ实验表明:对于不同直径的活塞泵(９５/１１０ｍｍ)ꎬ在设定的提水高度ꎬ当模拟风机从起动到额定转速时ꎬ提水量呈线性增加ꎮ另外ꎬ风轮转速取决于风速的瞬时变化ꎮ当风轮转数１２０ｒ/ｍｉｎ时ꎬ提水量可达到

２.８ｔ/ｈꎮΦ９０水泵Ｖ－Ｑ特性曲线如图２所示ꎮ因风力机调速和限速作用ꎬ超过额定风速时ꎬ风机开始调速ꎬ提水量并非呈线性增长ꎬ有利于水井涌水的积累ꎬ可避免负荷减少或无水润滑而造成机械损伤等故障ꎮ

图２㊀Φ９０水泵Ｖ－Ｑ(Ｐ)特性曲线

Ｆｉｇ.２㊀Φ９０ｐｕｍｐＶ－Ｑ(Ｐ)ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＣｕｒｖｅ

２.３㊀密封磨损试验

应用于矿山㊁冶金㊁煤炭㊁水泥㊁陶瓷㊁电厂㊁石油㊁化工㊁铸造㊁港口河道疏浚及污水处理等作业中的离心渣浆泵ꎬ用来输送液体中含有各种形状固体物的磨蚀性渣浆ꎬ泵的寿命和可靠性应当是比泵的原始投资价格和效率更为重要的考虑因素[５]ꎮ参照渣浆泵的磨损分析与选材ꎬ为了降低成本ꎬ活塞泵在最初设计时采用普通铸件ꎮ随着使用时间的推移ꎬ一般运行７２００ｈ以后就发生密封不严的问题ꎮ经多年的试验发现:水泵的密封性能下降主要是工作介质变化和表面光洁度造成的ꎬ而造成这种现象的主要原因是锈