水泵設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題的若干思考論文
水泵在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，但是在使用中會因?yàn)楦鞣N各樣的問題影響其正常運(yùn)行。本文從吸水管路的要求和尺寸確定，水管的安裝方式，吸水管材料選擇和引水方式的選擇，壓力水管的類型和鋪設(shè)方式及支承方式，管道支撐方式設(shè)計(jì)對鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)、支墩設(shè)計(jì)的要求方面進(jìn)行探討，并且簡要分析水泵水擊計(jì)算及其防護(hù)，從而進(jìn)一步提高我國的水泵設(shè)計(jì)水平。
1 影響泵機(jī)運(yùn)行效率的因素
1.1 泵機(jī)的選擇
在泵站運(yùn)行過程中，水泵的運(yùn)行效率等于水力效率、泵的容積效率以及機(jī)械效率三者的乘積，因此水泵本身的運(yùn)行效率決定整個(gè)泵站的運(yùn)行效率。如果在設(shè)計(jì)之初，選用的水泵質(zhì)量不合格，就會導(dǎo)致水泵葉輪的汽蝕情況加重，如果水泵的密封環(huán)在制造的時(shí)候間隙過大或者過小，會降低水泵的工作效率以及使用壽命。
1.2 水泵葉片的振動
水泵的葉片一般情況下都是單級葉片，為了更好地提高泵機(jī)的運(yùn)行特性，泵機(jī)轉(zhuǎn)子部分的直徑一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于泵機(jī)葉輪葉片的直徑，這就導(dǎo)致變頻送風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的不平衡質(zhì)量以及慣性力矩都集中在葉輪葉片上。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候，葉輪葉片一般設(shè)計(jì)成對稱結(jié)構(gòu)。但是由于葉片的制造誤差，一般情況下葉輪葉片很難做到完全對稱，再加上有時(shí)泵機(jī)要進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)，會造成巨大的慣性力矩。慣性力矩傳遞到葉片上以及曲軸上都會造成變頻送風(fēng)機(jī)振動過大。
1.3 泵機(jī)內(nèi)部缺少潤滑
泵機(jī)的運(yùn)行特性導(dǎo)致泵機(jī)的工作不是完全固定的，從并且使得只用一個(gè)曲軸來盡可能地減小從泵機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)這個(gè)工作是不穩(wěn)定的，可能通過這種不均勻帶來了能量損耗。而泵機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)機(jī)械在長期的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，缺少潤滑會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機(jī)械之間產(chǎn)生劇烈摩擦，這種摩擦不僅僅損害機(jī)械設(shè)備，同時(shí)也會造成水泵的效率大大降低。
2 吸水管設(shè)計(jì)要求
2.1 管道材料選擇
吸水管道材料要具有氣閉性較好、抗腐蝕能力強(qiáng)、安全可靠等特點(diǎn)，因此選取吸水管道材料時(shí)要考慮其綜合性能。不銹鋼管具有機(jī)械強(qiáng)度高、管壁壁薄、比重小、壓力損失低等優(yōu)點(diǎn)，再加上便于安裝、檢修以及更換，因此被廣泛運(yùn)用到泵站工程中。但是不銹鋼管使用壽命一般只有20～30 年，在管道使用壽命即將達(dá)到期限時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行更換以及維修。橡膠管也是當(dāng)前常用的吸水管道材料，長期性或者永久性的泵站吸水管多采用不銹鋼管，而臨時(shí)泵站一般選用橡膠管。
2.2 對進(jìn)水管的要求
(1)不積氣。吸水管的工作原理是根據(jù)水管內(nèi)外的壓力差(真空度)形成吸水的效果，當(dāng)水泵吸水管內(nèi)外的壓力差降低到一定程度時(shí)， 因?yàn)楣艿纼?nèi)的真空度較小導(dǎo)致水中溶解的氣體不斷分離出來。如果設(shè)計(jì)的時(shí)候不認(rèn)真考慮到這一因素對管道的影響，就會在吸水管道某段出現(xiàn)積氣，形成氣囊，從而影響水管的正常吸水。
(2)不漏氣。吸水管靠水管內(nèi)外的壓力差進(jìn)行水體循環(huán)，一旦吸水管路出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象， 就會使得水管產(chǎn)生較大的壓力損失，使得水泵正常運(yùn)行出現(xiàn)嚴(yán)重故障。同時(shí)水管出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，管內(nèi)的水流出來，外界的空氣進(jìn)入到水管內(nèi)，水泵的出水量將減少，甚至出現(xiàn)吸不上水的情況。一般情況下吸水管路采用強(qiáng)度高、接口可焊接的鋼管，深埋土中的鋼管應(yīng)該涂防腐層。
(3)不吸氣。吸水管進(jìn)口淹沒水中的深度不夠，就會在吸水管的進(jìn)水口處產(chǎn)生較大的游渦， 而游渦會將大量的空氣帶入到吸水管內(nèi)，嚴(yán)重時(shí)將影響水泵正常吸水。為了避免吸水井(建筑物)水面產(chǎn)生游渦，減少吸水口處空氣的進(jìn)入量，吸水管在最低水位下的淹沒深度應(yīng)該大于0.6m。如果環(huán)境條件不能滿足最低的淹沒深度，可以通過在吸水管進(jìn)口末端安裝水平隔板來減少空氣的進(jìn)入量。
2.3 引水方式的選擇
(1)當(dāng)泵站離水源較近，水源泥沙含量較低且水源的水位變化幅度基本不發(fā)生變化， 而同時(shí)泵站的引水流量不大時(shí)，可以可選用管道引水方式。水源岸坡較緩時(shí)，用斜桿管式引水方式，水源岸坡較陡時(shí)，采用直管式引水方式。
(2)當(dāng)泵站離水源較近，水源含沙量較大且水源岸坡較陡時(shí)，可選用涵洞引水方式進(jìn)行取水作業(yè)。
(3)當(dāng)岸坡較緩，泵站等取水建筑離水源較遠(yuǎn)時(shí)，可以通過開挖渠道進(jìn)行取水。開挖渠道可以縮短壓力管道的使用長度，提升工程的經(jīng)濟(jì)效益。
2.4 穿墻管連接形式選擇
(1)柔性連接。柔性安裝是為了提高安裝的彈性。對于水泵和動力機(jī)的均高于校核洪水位的泵站來說，為了降低沖擊應(yīng)力以及溫度應(yīng)力的影響，一般采取柔性的連接方式對穿墻管進(jìn)行連接。以保證安裝后的穿墻管道能夠自由伸縮，有效地對抗沖擊載荷以及溫度應(yīng)力。
(2)剛性連接。管道在進(jìn)行連接的時(shí)候要充分考慮到螺紋連接和法蘭連接這兩種連接方式的異同點(diǎn)。螺紋連接比較簡單，通過管螺紋進(jìn)行連接再配合生料帶密封就可以達(dá)到較好的密閉效果。在進(jìn)行管螺紋連接時(shí)，要掌握螺紋松緊度，用手進(jìn)行預(yù)緊的時(shí)候，將管螺紋擰緊后要保證管螺紋有一定的活動量。在二次擰緊中采用活動扳手?jǐn)Q緊的時(shí)候，要注意預(yù)緊力大小，不能因?yàn)檫^分?jǐn)Q緊而導(dǎo)致螺紋損壞。如果有條件，可以采用力矩扳手進(jìn)行擰緊，能夠保證預(yù)緊力大小滿足要求。螺紋連接后應(yīng)清除外露油麻和生料帶，對于容易腐蝕的管道應(yīng)該進(jìn)行防腐處理。
3 壓力水管設(shè)計(jì)要求
壓力水管是指水泵到儲水建筑物之間的出水管道，這一部分管道是保證水泵正常運(yùn)行的重要因素。加壓泵站和灌溉的高揚(yáng)程泵站的壓力水管一般都超過正常水管的范圍，使得壓力水管在泵站總投資成本中所占的比重較大。對于泵站的正常運(yùn)行來說， 壓力水管的長短和管徑的大小對系統(tǒng)的影響是巨大的，尤其是水管內(nèi)的水擊壓力甚至?xí)o泵站帶來致命的影響，因此加強(qiáng)高揚(yáng)程泵站和加壓泵站壓力水管設(shè)計(jì)是十分必要的。
3.1 對壓力水管道的要求
(1)保證管道本身及其接頭的強(qiáng)度，保證密封性能可靠;
(2)保證壓力管道引起的能量消耗及投資最小;
(3)保證泵站正常運(yùn)行時(shí)壓力水管道穩(wěn)定;
(4)在向管道內(nèi)充水或泄空過程中，保證介質(zhì)能自由出入壓力水管道;
(5)管道突然破裂后保證泵房的安全;
(6)能夠在檢修時(shí)放空管道，保證檢修工作順利進(jìn)行。
3.2 壓力水管的材料選擇
(1)壓力水管水循環(huán)壓力損失小、能耗低，確保水泵在各種情況下，均能按照標(biāo)準(zhǔn)工況運(yùn)行，從而降低壓力水管的維保費(fèi)用;
(2)滿足泵站不同用水要求，保證在不同的水管壓力條件下能通過對應(yīng)的設(shè)計(jì)流量;
(3)確保管道在較為惡劣的環(huán)境下，能夠獨(dú)立自主運(yùn)行，不會產(chǎn)生位移變化、水擊破壞以及滑移等現(xiàn)象;
(4)水管材料要便于運(yùn)輸、檢修、安裝、維護(hù)和管理，保證壓力水管檢修順利;
(5)節(jié)省鋼材、水泥、木材等材料，保證整個(gè)工程投資成本最低。
3.3 壓力水管的安裝
(1)安裝原則。泵站壓力水管多采用鋼管，因此在安裝的時(shí)候要注意以下幾點(diǎn)：(1) 焊接鋼管要注意焊接的密封性是否可靠，焊接結(jié)束后，焊縫處使用角磨機(jī)進(jìn)行打磨。(2)壓力水管的坡度設(shè)置應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求和國家標(biāo)準(zhǔn)，要保證設(shè)置出的坡度滿足使用要求。(3)坐標(biāo)和標(biāo)高的允許偏差以及豎直管道的垂直度誤差及水平管道縱橫向彎曲誤差應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定。(4)在進(jìn)行法蘭連接時(shí)，要對內(nèi)螺紋及法蘭封面上的鐵銹等油污及灰塵進(jìn)行清洗，確保連接時(shí)法蘭表面的光潔程度。清除掉密封線圈上的密封中心線，調(diào)節(jié)管螺紋法蘭中心線與管中心線兩者之間的位置，保證相互垂直。
(2)安裝方式。壓力水管的安裝方式可分為輻射狀安裝、平行安裝、串聯(lián)安裝和并聯(lián)安裝四種。輻射狀安裝，管道的中心線隨著逐漸偏離中心而減少。平行安裝是指壓力水管管道中心線始終保持為定值。對于短管道、低揚(yáng)程的泵站來說，多將壓力水管沿著平行于泵站機(jī)房鉛垂軸線的方向布置，從而簡化管道結(jié)構(gòu)，保證壓力水管運(yùn)行可靠。串聯(lián)安裝，串聯(lián)安裝是針對相鄰泵站之間無建筑物的壓力水管安裝方式。對于高揚(yáng)程泵站來說，如果泵站之間無影響泵站安裝的臺地，可以采用串聯(lián)方式將壓力水管與下一級水管連接。并聯(lián)安裝，并聯(lián)安裝是指多個(gè)水共用一個(gè)壓力水管，從而極大地減少壓力水管的使用，降低泵站的建設(shè)成本，多用于高揚(yáng)程、多泵機(jī)組、長管道的泵站建設(shè)。但是并聯(lián)安裝會增加許多配套建設(shè)，而且總管道檢修時(shí)，所有的支管道都要停止運(yùn)行。
4 管道支撐方式設(shè)計(jì)要求
4.1 鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)
鎮(zhèn)墩是用來固定壓力水管，按照結(jié)構(gòu)類型分為敞開式鎮(zhèn)墩和封閉式鎮(zhèn)墩。敞開式鎮(zhèn)墩便于檢修，但是由于敞開式結(jié)構(gòu)受外界影響較大，容易導(dǎo)致管壁受力不均勻，因此該結(jié)構(gòu)多用于低載荷的壓力水管固定;封閉式鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)較為簡單，受外界影響較小，但是不易檢修。鎮(zhèn)墩是依靠自身重力來維持本身穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)， 因此其設(shè)計(jì)要求以及內(nèi)容與其他重力式結(jié)構(gòu)基本相同，也就是需要計(jì)算極限情況下鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)的抗滑和抗傾復(fù)穩(wěn)定性、地基的穩(wěn)定性。在實(shí)際情況中，各種不利極限情況一般不會同時(shí)發(fā)生，因此應(yīng)參照水泵不同運(yùn)行情況進(jìn)行鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)負(fù)載組合，保證鎮(zhèn)墩的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性能夠應(yīng)對最不利的情況。泵機(jī)的正常設(shè)計(jì)是按照運(yùn)行平穩(wěn)、正常停機(jī)以及突發(fā)停機(jī)這三種情況進(jìn)行載荷分析， 將溫度變化以及各種摩擦阻力考慮進(jìn)去，從而保證設(shè)計(jì)能夠使泵機(jī)達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。
4.2 支墩設(shè)計(jì)
支墩是承接壓力水管中間部分的載荷，減少壓力水管在各種載荷影響下產(chǎn)生的屈曲變形。對于壓力水管來說，為了適應(yīng)溫度變化產(chǎn)生的熱循環(huán)應(yīng)力對壓力水管的強(qiáng)度沖擊，可以利用壓力水管沿管軸方向在支墩上的自由移動來抵消熱應(yīng)力帶來的位移。支墩只承受垂直于管軸的法向力，水平方向上的作用力主要由鎮(zhèn)墩承擔(dān)。
5 結(jié)語
泵機(jī)是生產(chǎn)過程中非常重要的設(shè)備， 對國家的科技自動化、現(xiàn)代工業(yè)水平發(fā)展等有著重要的作用。然而在泵機(jī)使用過程中，會因?yàn)樽鳂I(yè)環(huán)境或操作人員等因素的影響而出現(xiàn)各種故障。對泵機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能將影響泵機(jī)運(yùn)行的因素考慮進(jìn)去，從而避免設(shè)備發(fā)生故障，確保泵機(jī)處于正常穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。
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