真空引水裝置的設計計算＊

□盧珍 周小波 曾文明 李玉玲 李光輝/四川省農業機械研究設計院

1 引言

近年來，隨著國家對現代農業發展的大力支持，信息化提灌站、智能化節水灌溉系統的建設越來越多。首部系統的引水方式有多種，其中，真空引水裝置因具有結構簡單、維修方便、便于自動控制的優點而得到大力推廣和應用。但在實際工程應用中，由于真空引水裝置設計不合理、管道水力損失計算不正確等諸多因素，造成真空引水裝置吸水不能滿足要求、水泵運行不正常等問題時有出現。因此，筆者結合設計工作中遇到的問題，對真空引水裝置的正確設計進行介紹，并提出相關注意事項，為工程設計人員提供一定的參考。

2 真空引水裝置介紹

真空引水裝置屬于一種氣密性良好的封閉式罐子，由進水管、出水管、罐體、灌水閥和排氣閥等組成，其進水管連接吸水管道，出水管連接水泵進水管。具體結構如圖1所示。

真空引水裝置的工作原理是水泵啟動前，先開啟灌水閥和排氣閥，通過灌水閥向罐體內灌水，當排氣閥處有水流出時，關閉灌水閥和排氣閥，然后啟動水泵，當水泵啟動后罐體內的水量逐漸減少，從而使罐體內產生一定的真空，在此真空的作用下，水從進水池經吸水管道進入真空引水裝置，此后在保證裝置氣密性良好的狀態下即可不用灌水直接啟動。

3 真空引水裝置設計

3.1 基本參數

當地大氣壓95.5KPa，最高水溫28℃；水泵流量0.012m3/s，汽蝕余量2.5m；吸水管為焊接鋼管，直徑0.10m，總長度7.90m；喇叭口1個，大徑0.15m，小徑0.10m；90°彎頭2個，直徑0.10m；真空引水裝置安裝平面距離進水池液面最低水位3.00m。具體詳見圖2所示。

圖 1 真空引水裝置結構圖

3.2 裝置參數計算

根據基本參數計算確定滿足要求的裝置參數。下面采用氣體等溫變化下的波義耳定律進行水泵啟動前后空氣體積變化計算。計算過程如下：

1）水泵啟動前氣體體積V1計算如下：

圖 2 安裝示意圖

式中：Va為吸水管內空氣體積，m3；Vb為灌滿水后罐子內空氣體積，m3；d為吸水管道直徑，m；D為罐子直徑，m，初步設計為0.7m；L為吸水管長度與裝置進水管長度總和，m；h為灌滿水后罐子內空氣高度，m。則：

2）吸水管內流速v計算如下：

式中：Q為水泵流量，m3/s；d為吸水管直徑，m。則：

3）吸水管內水力損失h計算如下：

式中：hj為沿程損失，m；hi為局部水頭損失，m；hv為速度水頭，m；λ為摩擦系數，m；查表取0.025[1]；L為吸水管長度與裝置進水管長度總和，m；v為吸水管內流速，m/s；d為吸水管直徑，m；ζ為局部阻力系數，查表喇叭口取0.2；90°彎頭取0.3[1]。則：

4）水泵啟動后裝置內的氣體壓力P2計算如下：

式中：P1為水泵啟動前裝置內氣體壓力，與外界大氣壓相同，為95.5KPa；h為吸水管道水力損失，m；ha為真空引水裝置進水管上端面距離進水池液面最低水位的高差，真空引水裝置的高度初步設計為1.4m。則：

5）水泵啟動后氣體體積V2計算如下：

式中：P1為水泵啟動前裝置內氣體壓力，與外界大氣壓相同，為95.5KPa；V1為水泵啟動前氣體體積，m3；P2為水泵啟動后裝置內的氣體壓力，KPa。則：

6）水泵啟動后裝置內液位下降的高度H1計算如下：

式中：V2為水泵啟動后氣體體積，m3；A為裝置的截面積減去進水管道的截面積，m2。則：

7）真空引水裝置高度H計算如下：

式中：H2為裝置出水管中心線的最低淹沒深度，m；H3為裝置出水管中心線距離裝置底部的高度，m；H4為水泵啟動前裝置內空氣高度，m。則：

可見真空引水裝置的計算高度小于初步設計值1.40m，計算結果滿足設計要求。為了施工方便，并考慮一定的余量，將裝置高度取為1.20m。

8）真空引水裝置高度與直徑的比值：

裝置的高度與直徑的比值范圍一般取1.2～1.8。上述計算結果為裝置直徑0.7m，高度1.2m，高度與直徑的比值為1.71，滿足要求。

9）泵啟動后裝置內最小壓力P2min計算如下：

式中：H2為裝置出水管中心線的最低淹沒高度，m；hc為水泵進水管內水力損失，m；[NPSH]為水泵許用汽蝕余量，m，通常取[NPSH]=（1.1～1.5）NPSHr（水泵汽蝕余量），本設計取1.4m，Pv為水泵安裝所在地最高水溫下的飽和蒸汽壓力，KPa，本設計為3.78KPa。則：

因此，為了保證水泵進口不發生汽蝕問題，確保水泵的正常運行，水泵啟動后裝置內的壓力必須大于等于36.55KPa。由（4）式計算結果可知，P2=42.72KPa＞P2min，符合要求。

如果計算結果不滿足要求，將對初步設計的裝置直徑進行調整，再重復上述1）～9）的計算過程。

4 注意事項

真空引水裝置作為一種簡單而實用的引水設備，應通過正確的計算確定其參數，使之與吸水管路和水泵相匹配，同時有以下幾個注意事項：在條件允許的情況下，盡量降低裝置的安裝高度；裝置應安裝在水源附近，盡量縮短吸水管道的長度和減少彎頭等管件的個數；保證裝置有良好的氣密性。