譚泉壩水輪泵的選型探討

張勇智

（寧鄉市水利水電建設總公司，湖南 長沙410600）

1 基本情況

譚泉壩位于寧鄉市溈江一級支流大成橋河下游的大成橋鎮二泉村，壩址上游集水面積為135 km2，設計提水灌溉壩左岸的350畝水田，提水管道長20 m。由于大成橋河沒有長系列的水文資料，根據距離壩址18 km的石壩子水文站的資料，通過比擬法計算得到大成橋河譚泉壩址處8、9、10月80%頻率時的月平均徑流量分別為0.52 m3/s、0.32 m3/s、0.56 m3/s；譚泉壩上游設計水位為71.36 m，下游水位0.35 m3/s流量時為68.50 m，提水管出口中心線高程為73.00 m。根據上游來水、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、泵的參數關系

水輪泵是以水輪機為原動機，直接帶動水泵提水的灌溉機械。它是利用集中落差的水能，推動水輪機帶動與其連在同一軸上的水泵做功，將低處的水提至高處。水輪泵與電機泵都是利用動力機械將水從低處提至高處，只是電機泵的原動機一般采用電動機，電動機的機械特性是硬特性，也就是電動機的轉速不隨水泵負荷的變化而改變，在水泵的運行中，只要水泵裝置特性不改變，水泵的運行工況就不會改變。水輪泵的原動機是水輪機，水輪機的自然機械特性是軟特性，水輪機的轉速是與水頭H和水輪機過流量Q相關，隨著水輪機工作水頭的變化，水輪機的轉速會改變，運行工況也會改變，相應的會引起水泵運行工況的改變，水輪機所產生的能是與水泵所作的工基本相同，它們之間的關系為：

η×Q×H=q×h

式中Q、H——水輪機的過流量（m3/s）和工作水頭（m）；

q、h——水泵的提水流量（m3/s）和提水揚程（m）；

η——水輪泵總效率。

因而水泵的揚程、提水流量、水輪泵的功率、過流量、轉速都是隨水輪機的工作水頭變化而變化。

根據水輪機的相似律，水輪機過水流量、轉速及功率參數與1 m水頭時的參數有以下關系：

式中Q、n、N、H——水輪機工作水頭時的過流量、轉速、輸出功率、工作水頭；

Q1、n1、N1——水輪機1 m水頭時的過流量、轉速、輸出功率。

根據水泵的相似律及比例律，水泵過水流量、轉速及功率參數與1 m水頭時的參數有以下關系：

式中q、h、p、n——水泵在水輪機工作水頭轉速時的提水量、揚程、功率、轉速；

q1、h1、p1、n1——水泵在水輪機1 m工作水頭轉速時的提水量、揚程、功率、轉速。

由上面的關系式可見，選定水輪泵后，40 cm轉輪下的水輪泵都是采用固定葉片和固定導葉，所以其過水流量、轉速及輸出功率都是由水輪機的工作水頭決定的，而與水輪機連接的水泵的揚程、提水流量、功率都是由水泵葉輪的轉速決定的，故水泵的揚程、提水流量、功率與水輪機的工作水頭緊密相關，具體見圖1。

圖1 水泵的揚程、提水流量、功率與水輪機的工作水頭關系曲線

3 初選水輪泵的性能參數及運行工況

根據《水輪泵》（GB/T 6490-2008）標準，在常溫清水下，D40-6水輪泵在1 m工作水頭時的工作參數見表1。

表1 D40-6水輪泵在1 m工作水頭時的工作參數

根據水輪泵裝置圖（圖2）可知，水輪泵在工作時，原動機部分水輪機流道會有水頭損失，提水部分水泵流道會有揚程損失，故水輪機的工作水頭和水泵的提水揚程分別為：

圖2 水輪泵裝置圖

式中H凈——水輪機工作凈水頭；

H——水輪機工作總水頭；

H損——流道水頭損失；

ξ——水頭損失系數。

h總=h+h損

式中h總——水泵提水總揚程；

h——水泵提水凈揚程；

h損——水泵出水管道揚程損失；

λ——沿程揚程損失系數；

l、d——水泵出水管的長度及直徑；

ξ——局部揚程損失系數。

因水輪機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；當水泵的管道及裝置確定以后，揚程損失主要與流速相關，根據水輪機、水泵的相似律、比例律、水頭、揚程計算公式，水輪泵在不同工作水關下的運行工況見表2。

表2 水輪泵在不同工作水關下的運行工況

由表2可以看出水輪泵在設計保證率80%的情況下，控制上游水位在69.2～69.3 m時在來水量為0.32 m3/s時，能保證提水流量在34 L/s，基本滿足設計提水流量的要求，只是因運行水位低，機組在安裝時基礎開挖工程量較大。由于水輪泵的工況與工作水頭相關，故在設計時可以在保證水輪泵提水流量的情況下，通過降低水輪泵的工作水頭來減少水輪機的過水量，以滿足灌溉的要求。