高压气扬水泵泵水效率影响因素试验研究

包 艳， 徐振扬， 林欣然， 王翀霄， 孙 阳,3

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院， 江苏 南京 210098； 3.南京水汇能源科技有限公司， 江苏 南京 211800 )

1 研究背景

我国偏远山区居民的饮水和耕地灌溉困难是一个典型的低水头水力能开发滞后引发的民生问题[1-4]。这些地区一般河流在山下，而人和耕地在山上，因而造成水资源丰富却缺水的状况。同时由于村落分散及电网不稳定，利用传统的电泵站很难解决供水问题[5-8]。本文试验的研究对象是一套利用低落差水力能作为动力的提水装置，它可以利用较低的水流落差将水力能转换成气压差能，然后将气压差能转换为机械能实现提水的功能，从而不需要消耗传统的汽、柴油或电力资源。将该套装置命名为高压气扬水泵，由于它是以一种气液能量转换的概念设计的全新泵水装置，目前国内外相关研究工作未见开展。装置所涉及的气液两相流相互作用的室内试验研究工作虽有部分报道[9-15]，但试验内容的侧重点与本装置所涉及的功能完全不同。此外，由于影响高压气扬水泵泵水效率的因素众多，且这些因素之间也会互相影响，所以须进行大量的试验以确定该套装置与泵水效率相关的系统参数设置的依据。

2 试验装置

高压气扬水泵是一种利用高压气体实现提水功能的水泵，图1给出了试验装置示意图，图中的管道均为PVC材质，装置主要由水源、泵水管、进气管、空气压缩机等几部分组成。为简化试验装置，本试验用空气压缩机产生的高压气体来模拟从自然界水流中搜集到的高压气体。当水与进气管输入的气体相遇时，产生气液两相流，在压强差及气体拖曳力的共同作用下，水源源不断地被泵送到扬程H处，从而实现泵水的功能。试验涉及到的参数包括扬程H、泵水管直径D、进气管直径d和回水高度T。

图1 试验装置示意图

3 泵水效率定义

广义的工作效率是指机械的输出功(有用功量)与输入功(动力功量)的百分比，即有用功与总功的比值。针对本试验装置而言，有用功为液体被抬起一定扬程后所具有的势能，总功为初始状态具有一定压强的气体发生等温膨胀时所做的功。故高压气扬水泵泵水效率值是以百分比表示的水做的功占气体等温膨胀功的比值，以下为推导出的高压气扬水泵泵水效率计算公式：

(1)

式中：η为泵水效率；Wwater为被扬起水量的势能；Wair为高压气压差能，高压气在常温常压下膨胀作功，逐渐与大气压强趋于一致。在自然环境下，P2为当地大气压，kPa；V2为当地大气压下对应的气体体积，m3；P1指高压气压强，kPa；V1指高压状态下的气体体积，m3。

由公式(1)可知，与泵水效率直接相关的因素为气体的压强、耗气体积、提水量和扬程。而图1试验装置中的进气管直径d、泵水管直径D、回水高度T等与上述因素之间均有一定的联系。高压气扬水泵装置不同的结构参数之间相互影响，是一个综合性的系统，因此要获得高压气扬水泵泵水效率的最优值，需要通过大量的系统性试验探究各个参数之间的关系及其对泵水效率的影响。

4 扬程与泵水效率的关系

图2、3表示在D=20 mm、T=3 m的条件下，扬程H在3～12 m之间变化、进气管直径d分别为3、4 mm时的不同扬程泵水效率与压力之间的变化关系。由图2、3可以看出，随着进气压力的逐渐增加，不同扬程的泵水效率均呈现出先上升后降低的趋势。这是由于压力继续增大后，高压气体不能够被充分利用而产生了部分浪费，导致泵水效率逐渐降低。另外，一般当压力值在32～34 kPa之间时，泵水效率达到最大值。泵水效率的最大值随着扬程的改变而发生明显变化，通过分析可以确定，扬程每增大3 m，则泵水效率最大值平均下降约5%。将图2、3进行对比还可以看出，当进气管直径较小时，泵水效率与压力的关系随着扬程的不同而较为散乱；当进气管直径增大之后，不同扬程泵水效率随压力的变化曲线趋于接近。

图2 不同扬程泵水效率与压力的关系(d=3 mm)

图3 不同扬程泵水效率与压力的关系(d=4 mm)

5 进气管直径与泵水效率的关系

图4、5表示在T=3 m、H=6 m的条件下，进气管直径d在3.0～4.5 m之间变化、泵水管直径D分别为20、25 mm时的不同进气管直径泵水效率与压力之间的变化关系。由图4、5可看出，在进气管直径较小时，泵水效率与压力的关系尚不明显；当进气管直径增大到一定程度时，达到泵水效率峰值所需的压力值逐渐减小。在峰值右侧的泵水效率下降过程中，进气管直径越小，下降越缓慢，其原因可能是在较大的压力条件下(压力已超过最大泵水效率所需压力)，进气管直径大的情况下所输入的高压气体量多于进气管直径小的情况，导致泵管中大部分空间被气体占有，使得泵水效率降低的更快。另外，对比图4和5还发现，进气管直径的改变对于泵水效率的最大值影响不大。

图4 不同进气管直径泵水效率与压力的关系(D=20 mm)

图5 不同进气管直径泵水效率与压力的关系(D=25 mm)

6 泵水管直径与泵水效率的关系

图6、7分别表示在T=5 m、H=10 m的条件下，泵水管直径D在16～32 mm之间变化、进气管直径d分别为4、5 mm时的不同泵水管直径对泵水效率与压力关系的影响。由图6、7可以看出，不同泵水管直径的泵水效率均随压力先增大后减小的大体趋势没有改变，同时对泵水效率的峰值影响不大；在峰值右侧的下降区域中，D较大时的泵水效率明显大于D较小时，如在d=4 mm的试验中，当压力为58 kPa时，D=16、20、25、32 mm所达到的泵水效率分别为8.12%、19.35%、33.20%和38.05%；随着D的增大，达到最大泵水效率时对应的压力值也逐渐增大，如在d=4 mm的试验中，D=16、20、25、32 mm时，达到最大泵水效率所需压力分别为50.5、52.0、54.0和57.5 kPa，其原因可能是随着D增大，若想达到最大的泵水效率，泵水管中就需要更多的高压气体，而在进气管直径一定的条件下，欲增大高压气体的量就需要更大的压力。另外根据曲线的变化趋势还可以发现D较大时，泵水效率随压力的变化出现多组峰值情况。

图6 不同泵水管直径泵水效率与压力的关系(d=4 mm)

图7 不同泵水管直径泵水效率与压力的关系(d=5 mm)

7 结 论

(1) 总体上看，泵水效率随压力的增大呈现出先增大后减小的趋势；泵水效率在减小的过程中，进气管直径越小，则下降越缓慢。

(2) 泵水管直径变化时，泵水管直径较大情况下的泵水效率明显大于直径较小的情况；泵水管直径越大，达到最大泵水效率时对应的压力值也越大。

(3) 在充分的压力条件下，进气管直径与泵水效率成反比。为获得较高且稳定的泵水效率，宜采用小直径进气管。

(4) 当所需扬程一定时，回水高度的增加使得回水高度处至进气管处之间的压差增大，提高了试验装置的提水能力，故可考虑在实际工程应用中通过提高回水高度充分发挥该装置的性能。