（农业水土工程专业论文）利用射流器改善离心泵吸水性能研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘堂 摘要 机井灌区是我国主要的农业灌溉工程之一，在农业灌溉中发挥着重要的作用。随着 柑 k 生 产和城市生活用水的急剧增加，过最开采地f 水使地f 水位在一定范闱内急剧一卜降，严重影响j 机井灌区的运行。本研究主要是针对灌区地f 水位下降、机井涌水量减少，机井离心泵超吸榉1 作而提出的，从理论和实践上进行了研究。其目的是利用射流器改善机井离心泵吸水性能，他已 处于i 临界状态或己无法正常上作的机井离心泵，经过改造恢复正常丁作。课题研究的i 要内窬包 括：射流器与离心泵配合使用的原理及特点；射流泵装置指标确定；影响射流泵效率的洲素：射 流泵装置设计及工作点校核等。本课题在室内和野外大量实验的基础上，通过分析研究取得r 以 f 研究成果：利用射水器以水泵自身压力水为动力来改善超吸程离心泵机井的吸水性能无论是从 技术上还是从经济上都是可行的：射流器助吸装置使用方便，资助水头一般为2 4 m ，能u 月显改 善离心泵吸水性能；射流器装置可以根据机井的具体情况进行设置，它具有价格底、见效快，殴 计、制造、安装，简便易行，便于群众接受和推广。 关键词：射流器，改善，离心泵，吸水性能 a b s t r a c t i r r i g a t i o nd i s t r i c tu s i n gm o t o r - p u m p e dw e l l ，m a i na g r i c u l t u r a li r r i g a t i o np r o j e c ti no u rc o u n t r ) p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei na g r i c u l t u r a li r r i g a t i o n w i t ht h er a p i di n c r e a s i n gn e e do f w a t e ri ni n d u s t r y a g r i c u l t u r ea n dc i t yl i f e ，e x p l o i t a t i o nu n d e r g r o u n dw a t e re x c e s s i v e l ym a k e su n d e r g r o u n dw a t e r l e v e ld e c r e a s er a p i d l yi nac e r t a i ns c o p e ，t h e r e f o r ea f f e c t e dt h eo p e r a t i o no f m o t o r - p u m p e dw e l li n t h ei r r i g a t i o nd ! s t d c ts e r i o u s l y t h i sp a p e r , m a i n l ya i m e da tt h ed e c r e a s e du n d e r g r o u n dw a t e rl e v e l ， l e s sw a t e ro u to fm o t o r - p u m p e dw e l la n do v e rw o r k e do f m o t o r - p u m p e dw e l lc e n t r i f u g a lp u m p ， d o n es t u d i e sf r o mt h ep o i n to f t h e o r ya n dt h ep r a c t i c e p a p e rs t u d yp u r p o s ei st oi m p r o v et h ew o r k p r o p e r t i e so fc e n t r i f u g a lp u m p ，e s c a p i n gc e n t r i f u g a lp u m pw o r k i n gc r i t i c a ls t a t eo rw o r k i n gu n n o r m a l l y ，t h r o u g hr e f o r ma n dr e t u r nt on o r m a ls t a t i o nb yu s i n gan e wd e v i c e t h i sp a p e rm a i n c o n t a i n st h ef o l l o w i n gc o n t e n t , t h et h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fc e n t r i f u g a lp u m pw o r k i n g c o m p a n i e db yj e tp u m p ，j e tp u m pe f f i c i e n tf a c t o r s ，j e tp u m pd e v i c ed e s i g na n di t sw o r k i n gp o i n t a d j u s t b a s e do nal o to fe x p e r i m e n ti n d o o ra n do u t d o o r ，t h ep a p e ra n a l y z e dd a t aa n dd o n es t u d y w o r k ，t h e r e f o r eg a i nf o l l o w i n gr e s e a r c ha c c o m p l i s h m e n t ：i ti sf e a s i b l et ou s ej e tp u m ps e l fw a t e r p r e s s u r ea sp o w e rt oi m p r o v et h ew o r kp r o p e r t i e so f t h em o t o r - p u m p e dw e l lo fc e n t r i f u g a lp u m p e i t h e ro nt e c h n o l o g yo ro ne c o n o m y ；i ti sc o n v e n i e n c et ol i s ej e td e v i c ei n c r e a s ew a t e rh e a db y2 - 4 m e t e r sh i g h ，i m p r o v i n gt h ea b s o r p t i o np e r f o r m a n c ec l e a r l y ；j e td e v i c ec a l ld e v i c ea c c o r d e dw i t h n a t u r a lw e l l ；i tc a nb ea c c e p ta n dp o p u l a r i z e db yp e o p l ea si t sc h e a p ，v a l i da n ds i m p l ed e s i g n ，m a k e o f a n di n s t a l l a t i o n k e y w o r d s ：j e td e v i c e ，i m p r o v e ，c e n t r i f u g a lp u m p ，w a t e ra b s o r p t i o na b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名 咖砷 时间：文新年彳月巧同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 谚已叶 彩- 响 时间：反斫年彳月巧只 ， 时间：易一丁年4 月罗矿h 中国农业人学硕上学位论文 筘一章绪论 1 1 选题的背景 第一章绪论 近几年来，随着上农业生产和城市生活用水的急剧增加，过量开采地f 水使地f 水似住定 范围内急剧r 降，相当一部分的离心泵机井灌区采用机泵一再下卧才勉强满足离心泵的吸水婴 求，严重破坏了机井的正常使用，加速了机井的老化；使原有的相当一部分离心泵机井滞肛1 ：能 止常使州有的进行了更新，采用了昂贵且效率不高的长轴井泵和潜水电泵来代替，人人地增加 ，费用，严重地影响了下农业生产。 机井老化是指机井设施随着运行年限增加或环境、人为因素的影响，设施功能逐步降低，“ 达到临界值时，即进入老化阶段。 机井老化的原因主要分为前期性原因和后期性原因两种。前期性原因主要是指机升勘测、规 划设计小细、井位选址不当、布井过密、成井过程未按规程操作或长期水源不足等，使机升过甲 地进入老化阶段。后期性原因主要是指机井投入使用后在运行过程中机井配置不合理、小井配人 泵、使用管理不善、维修不及时或地f 水位下降等外因损坏。 根据成因不同机井老化可分为水源缺乏型、成井1 二艺型、外损型、不配套型及门然老化喇筲。 水源缺乏型是由丁- 地下水位下降，离心泵吸程不够，水泵产生气蚀，机井山水量不址戏不 水，加速了机井的老化。地下水何平均下降机井有5 0 达不到设计出水量，机井寿命平均缩婶3 0 5 0 ，提前进入衰老期。 农田灌溉机井在使用过程中，随着年限增加，会出现很多问题，尤为突出的是出水量不能满 足动力机械提水的要求亟需改造。 本文就是针对山东省乃至全国广大机井灌区普遍存在的问题，在具体分析泰安市尤二游情况的 基础上提出研究的。泰安市地下水位急剧下降，部分离心泵机井不能正常工作，导致部分机：更 换了昂贵且效率不高的长轴井泵和潜水电泵；部分机井将离心泵继续下卧，不仅施i 难度增人， 士建费用增加，管理维修不方便，更容易造成伤亡事故，且很多机井在雨季被水淹没，加速_ 广机 井的破坏和水泵的报废。 为了搞好论文研究，为此对泰安市的机井、水泵的使用状况，进行了调查。 1 2 并灌区的基本情况 泰安市位于山东省中部，行政区划面积7 7 6 2 k m 2 ，山区匠陵占全市总面积的二分之一耕地 面积3 3 1 3 3 k m 2 ，总人口5 3 5 万人，属暖温带大陆性半湿润气候区，多年平均蒸发越11 6 0 m m ， 降雨鼍6 9 0 m m ，且时空分布不均，6 9 月份降雨量占全年降雨量的7 2 ，常伴有春1 1 、伏甲、 秋旱和夏秋涝。 中国农业大学硕l 学位论奠第一学绪论 1 2 1 井灌区的发展历程 泰安市井灌区由普通上井演变而来1 9 4 9 年土升达到l l 万多眼，单井灌溉面积只有儿甫剑 f j l 亩。1 9 5 3 年，宁阳县农场打机井2 眼，当时填补了泰安市机井的空白。到1 9 8 5 年全甫机电 井总数已达3 7 3 4 0 眼，其中百米以上的深井2 8 1 0 眼，大口井1 7 1 2 9 眼。机电井有效游溉丽秘已 达1 4 6 7 6 k m 2 ，占全市总有效灌溉面积的6 6 2 。7 0 年代之前，开采水源主要为第阴系孔隙水 深度一般在1 0 m 左右，1 9 7 0 1 9 8 0 年，地下水的开采已逐步由原始浅井开采转入深井初j | j j 开采， 井深一般在8 0 1 5 0 m ，提水机械土要为离心泵，1 9 8 5 年以后，主要以打深井开采岩溶水为上， 井深一般在1 5 0 3 0 0 m ，个别地方井深达5 0 0 m ，提水机械为潜水泵。到2 0 0 0 年，全市机 已发 展到4 7 9 万眼，井灌面积1 6 4 2 k m 2 。主要分布在泰安、肥城、宁刚平原及大汶河各级支流形成的 河谷地带。这些地区机井已基本饱和，在山前冲积平原及部分灰岩丘陵区仍有开发 荷力。 近年来，天气干旱的加剧，农业用水量的不断增加，及部分河道污染加剧的原因，引河1 ：稃 逐渐减少，有的甚至报废，部分水库灌区随着社会经济的发展，水库供水职能发生变化，由向农 业供水为主转向城市供水为土，井渠结合的灌区灌溉面积不断减少，由8 5 年的3 3 3 3 k m ! 减少剑 目前的1 6 0 k m 。这些地方农田灌溉由利用地表水为主转向开采利用地下水。 1 2 2 井灌工程的基本情况 ( 1 ) 机并数量及机井密度 2 0 0 2 年底全市井灌面积1 6 0 0 k m 2 ，有机井4 8 万眼。1 9 9 8 年新打机井5 9 5 眼，其中深升1 8 0 眼，更新机井1 3 0 0 眼，其中深井2 6 0 眼：1 9 9 9 年新打机井8 6 7 眼，其中深井2 8 0 眼，更新机升 1 4 0 0 眼，其中深井2 7 0 眼：2 0 0 0 年新打机井7 5 7 眼，其中深井2 1 0 眼，更新机井 3 0 0 眼，其中 深井2 6 0 眼：1 9 9 8 年新打机井5 9 5 眼其中深井1 8 0 眼，更新机井1 7 0 0 眼，其中深并3 2 0 眼：2 0 0 1 年新打机井8 4 8 眼，其中深井3 1 0 眼，更新机井8 5 0 眼，其中深井1 6 0 眼：2 0 0 2 年新打机”1 9 9 眼，其中深井4 5 0 眼，更新机井2 8 0 0 眼，其中深井5 6 0 眼：全市机井平均密度为6 眼k m ，机) t 密度最大地区为泰莱平原，机井密度2 1 眼k m 2 。 ( 2 ) 机井报废数量及原因 1 9 9 8 年全市机井报废1 3 7 8 眼，1 9 9 9 年全市机井报废8 2 1 眼，2 0 0 0 年全市机井报废7 7 0 恨， 2 0 0 i 年全市机井报废5 4 4 眼，2 0 0 2 年全市机井报废2 2 0 6 眼，机井报废的原因主要是地f 水f 证f 降及多年运彳了老化失修及淤积造成。因地f 水位下降，每年平均有1 2 0 0 多眼机井吊泵。2 0 0 2 年 发生了特大干旱，全市有6 4 0 0 多眼机井吊泵。 ( 3 ) 全市观测井的眼数、分布及投入观测的时间 全市自1 9 7 5 年开始设立长期地下水动态观测点以来，已有省级观测井7 0 眼，地方观测j f1 0 2 中国农业人学硕i 学位论文 第亭绪论 眼，其中重点井2 1 眼，全市观测井在地域上按水文地质分区和重点水源地、城镇1 。 企i h j 水大户进行布设，以利于对地f 水的动态控制。 ( 4 ) 调查结论 泰安市由于地下水位急剧下降，导致平均每年有1 0 0 0 多眼机井报废、1 2 0 0 多眼机卜吊泵， 特别是严重干早季节，会发生更多的机井吊泵( 像2 0 0 2 年) ，造成了巨大的浪费和经济损儿。洲 此，改善机井离心泵的吸水性能，发挥现有机井和水泵的作用、提高机井和水泵的利j j 牢、减缓 机井老化和人为破坏、发挥机井水泵的最大效益已成为当地农民和农业生产的迫切需要，“利川 射流泵改善机井离心泵吸水性能”的课题研究意义重大且十分必要。 1 3 研究的目的和意义 改革开放2 0 多年米，农田灌溉科学技术得到了迅猛发展，特别是在农田灌溉的基础理沦研 究、节水灌溉研究、示范与推广、高效井灌技术、农业用水管理体制及农田水管理等方而得到了 较大的进展，新技术在农田灌溉领域内的应用也有了突破。 据统计，从1 9 7 8 年至1 9 9 7 年，粮食产星从3 x 1 0 “k g 连续跨过3 个台阶，目髂稳定住4 9 xl o ”k g 水平上，年均增速达2 7 ，农民人均年纯收入也从1 3 3 元增加到2 0 9 0 元所有这 剀 的取得，农田灌排科技的发展无疑发挥了巨大作用。 水泵的高效使用促进了农业科技成果向使用技术的转化，推动了“高产、优质、高技”农业 的发展，对加快农业结构的调整和农村经济的发展，实现农业产业化和农业现代化起到了垣要作 用，因此水泵在国民经济发展中发挥了不可替代的作用。 随着工农业生产和城市生活_ 水的急剧增加，地下水位急剧下降，泰安市原有的相“卜部分 离心榘机井灌区不能正常使用，有的进行了更新换代，增大了费用。相当一部分的机升机泵r r 到一定程度才满足离心泵的吸水要求，甚至有些机井机泵仍然无法满足离心泵正常i 作。机泵r 卧到定深度时，再继续下卧，会产生施工难度大、土建费用增加、管理维修不方便、容勃造成 伤亡事故、雨季机泵被雨水淹没等问题。如果对类似的机井抽水裟置不更换机型也不继续f 卧， 轻者会使水泵产生较为严重的汽蚀，水泵上水量减少，叶轮遭受破坏；重者会使水泵停i rr 水， 无法7 ：作。 本课题研究的目的是，利用射流器改善机井离心泵吸水性能，使已处丁临界状态或以无法 常【作的机井离心泵抽水装置，经过改造恢复正常t 作。 本漾题研究的意义是，对于这类吸水处于临界状态的机井抽水装置，不采用更换机型( 如深 井泵、潜水泵等) 、不再采用机泵继续下卧，解决水泵吸水性能降低甚至无法止常j 作的问题， 减少资会投入，减轻农民负担；提高机井抽水装置效率、降低能源单耗；减少管理维修费删。 1 4 国内外研究的现状 中国农业人学硕_ 上学位论文第一荦绪论 射流泵以其结构简单、容易加丁、造价低廉，在各行各业得到非常广泛的应用。围内外f 究 人员也对射流泵本身及应用做了人量试验研究，并且普遍对射流泵的研究、开发、推j 、。前景看妤。 1 9 7 1 年，法国学者c r o ws c c h a m p a g e n ef h 在射流装最上进行了脉冲射流的试验研 究，研究结果表明，在距离喷嘴山口4 倍于喷嘴直径点处，侧得脉冲射流的卷吸率比恒定射流提 高了3 2 ，这一结果立刻受到了各国学者的高度重视。在二十几年内，各国学者对脉冲射流进行 了人量的试验研究，研究结果均表明，在相同射流泵或喷射器装置上，采用脉冲射流比恒定射 流的卷吸率提高了2 0 3 0 ，甚至更高”“j 。而且脉冲射流在核工业工程”“、航空航天拌、 化上与热力工程”“l 、环境保护工程及水利水电上科“等实际工程中得到了应用，取料r 较人 的社会效益和经济效益“1 。 进入二十世纪8 0 年代以后，国内外一些学者对射流泵性能进行了二维数值研究“，但这 些研究仍存在一些缺陷，主要表现在：没有考虑射流泵的实际几何形状，特别是没有考虑唢嘴颦 厚和喷嘴距对射流泵性能的影响“”。 水电部西北勘测设计院的王通林于射流泵在水电站的应用中，介绍了射流泵在水电站一p 的心 用及其最近研究成果一针阀可调式射流泵该泵适用丁水头和负荷变化大的水电站机组技术 供水系统，对丁水头变化小的电站可采片j 固定式射流泵。可以节约投资和大大简化压水殴备和空 气管网的布置。 上虞市水利水电勘察设计院的丁仲六在射流泵轻型井点基坑排水的设备与原理及其在新尔 进闸t ：程中的应用”“指出，基坑排水是深基础地卜建筑施工中一个重要而又较难妥善解决的施i ： 环节，尤其在水利上程水闸旆工中，水工建筑物往往建造在河道水网带，或者具有相1 1 渗透能力 的十层中，地下水位高，渗水流量大。丁程本身又有严格的防渗要求，因此这个环节解决得好与 坏，往往直接关联到基础施丁的难易和工程质量有时甚至是成败的关键。 自7 0 年代射流泵较广泛地席用于深井石油开采以来，国外的研究者相继发表过研究论文， 国内有人认为“游离气会降低射流泵升举液体的能力”“”窦宏恩根据使用射流泵的实践往 气体对射流泵效率的影响中指出，在有液液气两相流体的情况下，气体在升举过程中做功有助 丁液体升举到地面，使射流泵效率得到提高“。 近几年来，在隧道、矿山、大型峒室及钢炉补喷、铁道护坡、钢筋混凝土建筑施l 等许多j 种中，都人量使用混凝土喷射机。该喷射机存在着许多缺点。迫切需要开发一种新型混凝【喷射 泵，以适用于矿山井巷支护及对大型隧道的喷浆。吴国祥对混凝土射流泵进行了研究，设计出j 结构合理、满足设计要求的混凝土射流泵，大大提高了生产效率，解决了粒料在输送过样中发牛 堵塞的现象”。 近_ 二十多年来，我国先后在西洱河、大寨、鲁布革、漫湾、自山、龙羊峡和东江等水电站的 机组技术供排水系统中采用了射流泵”“。 但是，射流泵在我国水电站的普及率仍相当低。其原因除射流泵在我国被应用丁水l b 站的历 史相对较短、用户对其还不甚了解外，就其本身而言，尚存在某些缺点和不够完善处，如尚未形 成完整的性能优良的产品系列供用户选择，泵的性能不够稳定，工作水头较高的一些电站存在泵 的噪声较大，汽蚀剥蚀严重，运行寿命较短等问题。然而，随着对射流泵的j “泛深人研究，泵的 上述问题已经正在或逐渐得到解决1 “1 “。 4 中国农业大学硕士学位论文第争绪论 综上所述，射流泵的应用非常广泛，常见的在各种工程中的应用主要表现在以r 儿个方面。： 1 ) 用作离心泵的抽气引水装置在离心泵壳顶部接射流泵，当水泵启动前，j 川外接射 流泵的高压水，通过射流泵抽泵体内空气，达到离心泵启动前抽气引水的目的。 2 ) 在水厂中利用射流泵抽吸液氯和矾液，俗称“水老鼠”。 3 ) 在地f 水除铁曝气的充氧工艺中，利用射流泵作为带气、充气装置射流泵抽吸的始终 是空气，通过混合管进行水气混合，以达到充氧目的。这种水气射流泵一般称为加气阀。 4 ) 在排水工程中，射流泵可作为污泥消化池中搅拌和混合污泥用泵。近年来，川射流泵f 1 为生物处理的曝气设备及气浮净化法的加气水设备发展异常迅猛。 5 ) 与离心泵联合工作以增加离心泵装置的吸水高度。在离心泵的吸水管末端装置射流泵 利用离心泵压出的压力水作为液体，这样可使离心泵从深达3 0 4 0 t a 的井中提升液体。它使。 地下水位较深的地区和牧区解决人民生活用水、畜牧用水和小面积农田灌溉用水。 6 ) 在土方工程施工中，用于井点来降低基坑的地下水位。 利用射流器改善超吸程机井离心泵吸水性能研究，国内外没有相关的文献论述。国内外。学名 关于射流泵其他方面已做了相当深入的研究。而利用射流器解决机井离心泵在地r 水何急剧r 阶 使水泵无法正常t 作的研究，到1 ；1 前为止尚未查到国内外有公开发表的文献。 1 5 研究的目标 本课题研究的目标：使抽水己处于临界状态或以不能正常t 作的机井离心泵抽水装置，经过 改造恢复正常工作。提出射流泵的设计方法，材料选择及安装技术，并附有改造实例。 1 6 研究的内容 1 ) 根据井内动水位的变化，依据水泵吸水性能来研究射流泵助吸扬程。 2 ) 研究选择材料并加工制作射流泵模型确定射流泵有关参数及指标。 3 ) 根据不同工况r 射流泵的实测性能优化其参数。 4 ) 经济效益分析 1 7 研究的方法及技术路线 ( 1 ) 选择有代表性的试验机井 在泰安市泰山区上高乡北沟头村，选择了有一定代表性的机井作为研究对象。其特征为：单 井涌水量正常时期为6 0 9 0i l l 3 h ，干旱季节为4 0 6 0m 3 h ，相应机井中动水位在地面以f1 0 1 5 m ，机泵已下卧至地面以下4 7 m ，水泵为4 1 3 2 0 型，配用l o k w 电动机或1 9 5 柴油机，泉山r _ i 压 力为6 8 6 1 4 7 k p a 。根据井中动水位、机泵下卧深度及4 8 2 0 型泵的吸水性能，对射流泵的资助 中国农业大学硕上学位论文 笫一尊绪论 水头、回水流量等参数进行研究。 ( 2 ) 依据射流泵的助吸扬程和机井性能选定射流泵装置参数并设计试验装置 根据选用4 8 2 0 犁泵的吸水性能及机井正常出水量8 0m 3 h ，干旱季节出水量5 0r l l h ，射流 泵装置同流3 0m 3 h ，确定射流器的喷嘴直径、喷嘴长度、喷嘴距、混合室直径、混合生长度、 扩散管k = 度、吸入室直径；确定射流器的扬程与吸入流量的关系、水泵扬程与吸入流苗的天系。 c 3 ) 确定实验方案 1 ) 机井选定：地r 水埋深7 1 1 m ，配备4 8 2 0 型泵且已r 卧3 4 m 。 2 ) 设计射流泵的几何参数( 喷嘴直径、喉管直径等) ，加 二射流泵并现场安装。 3 ) 根据试验机井提出具体测试方案。 4 ) 根据测试结果，调整试验装置和射流泵有关参数重新试验。 ( 4 ) 现场试验 根据确立的实验方案，在现场进行试验，测试有关的数据。 ( 5 ) 测试成果分析 对现场测试的成果进行分析，分析射流器对离心泵的资助水头、水泵的装置效率、水泵的吸 水性能等。 第二章射流泵工作原理及实验设计 2 1 射流泵装置 射流泵是把射流器和水泵( 一般为离心泵) 组合成一体的抽取井水的一种扬水装置，前者置 于井下，后者置于井上，如图2 4 所示。射流器由喷嘴、混合室、扩散室和吸入室所绢成， 射流器利用流体( 液体或气体) 来输送介质的动力设备，与其它机械泵( 离心泵、街轮采、 柱塞泵等) 相比，无运动部件，启闭方便，当吸水日完全露出水面时，断流无危险。冈l | j 具有 结构简单、尺寸小、重量轻、价格便宜，便于就地加工、安装容易、运行可靠，无泄鼯，纪维修， 可以抽吸污泥或其他含颗粒液体：冈此，射流泵又被称为“无运动部件的泵”。它常州r 不维修 或少维修的场合。射流器可以与离心泵联合工作，从大口井、深水井中取水等一系列优点，确比， 在核动力工程、航空航天工程、化= 上程、深海开采工程及深井采油和深井提水工程笛实际旧# 中得到了广泛的应用”。一般射流泵抽水装置形式“”见图2 一l 。 1 0 9 8 、 一1 。、r 、j 叶- 1 j 一一 一，。，。，【，：，一 21 3 。 一、一龠：一 一、 ， 4 1 供水池： 2 工作泵 3 闸阀 4 工作水管i 下水位5 吸入水管 6 射流泵 7 压力水管i i 8 加压泵 9 单向阀 1 0 出水管i i i i l 出水池 图2 1射流菜抽水装：1 1 一般形式 惨他0彬侈”lpj， f t ii川川ui jj卅j_。律r 一7 6 中国农业大学硕士学位论文第二章射流泉工作原理及实验i ： i 射流泵的工作原理是来自水泵的定能量的高压水，通过支管和套管压入升下再从喷嘴向 一 高速射出，与混合室中的井水相掺滏，射流的动能通过混合作用传给井水使其动能增加，混合水 再流八扩散室流速渐减，把大部分动能转变为压能，通过上水管再由水泵将水压出，部分水j l 、 入山水管扬至所需高度，一部分水又从支管压入井下，再次从喷嘴射出与井水相混，这样，喷嘴 连续喷射就可将井水源源不断地扬至所需高程”。射流泵对抽吸的介质要求不严格，小怕洲气， 适合比较复杂的工作环境，可提高工作效率5 1 0 倍，降低t 程造价3 0 5 0 ”。射流泵结掏例 如图2 2 所示。 圈2 - 2 射流泵结构简围 2 2 射流器与离心泵配合使用时的工作原理及特点 射流器与离心泵配合使用的抽水装置有两种基本形式；一种为射流泵的回水管与离心泵的吸 水管一体工作，另一种为射流泵的回水管与离心泵的吸水管分体工作。具体形式见图2 - 4 、幽25 ， 根据泰安市机井配套情况和方便改造及减少改造费用的角度，决定本研究拟采剧幽2 - 5 的形 式。装置就是从水泵出口处返回一部分压力水q 作为底部射流器的动力来源，使射流器吸入 定水量g 并产生一定的扬程h # 。这一部分扬程相当于减少了装置同样的吸水高度值，或者说丰h 当于资助了水泵同样的吸水高度值，因此称其为资助水头。资助水头改善了装置的吸水性能，使 水泵正常_ l = 作、免于汽蚀的危害。同时由于同流使井的出水量低于水泵的抽水量，井阡深减少， 处于安全状态，而水泵则可以保持在高效区运行。由于射器的效率一般在1 5 4 5 之间，远低j 离心泵的7 0 8 0 “，故回流会造成比正常工作时的装置效率有些降低。降低的多少引r i 流的多 少、上作水头的高低，亦即资助水头的大小有关。本研究主要是针对干旱季节机井h j 水i f | ：减少， 处于超吸程上作的禽心泵提出的。射流器与卧式离心泵配套使用，以克服离心泵吸水高度有限的 缺点是其主要用途之一。 一詈 寮 蒿一 l 中国农业大学硕士学位论文第二章射流泵工作原璀及实验波计 ，。， fi l s 嗜 2 一 2 一l _ l 一喷嘴； 2 混台管； 3 一蠢管； 4 井管； 5 一水泵吸水管； 6 一工作压山水管 7 水泉； 8 一闸阀 围2 - - 4 射流泵的回水管与离心泵的吸水管一体工作 景 管 s n q 2 。5 s c 【出水池 图2 - 5 射流泵的回水管与离心泵的吸水管分体工作示意圈 9 黝叫时疆 吸水甄引蚓fl引参、 中国农业大学硕士学位论文 第二章射流泵工作腺削成交验设计 2 3 射流器的工作参数及工作范围 根据山东省特别是泰安地区机井灌区的情况，选择有一定代表性的机井作为分析研究对絮。 其特征为：单井涌水茸正常时期为6 0 9 0m 3 h ，干旱季节为4 0 6 0m 3 h ，相应机井中动水何狂 地面以fl o 1 5 m ，水泵为4 8 2 0 型，配用1 0 k w 电动机或1 9 5 柴油机，机泵已下卧至地面以f4 一 7 m ，泵出口压力为6 8 6 1 4 7 k p a 。根据井中动水位、机泵f 卧深度及4 8 2 0 型泵的吸水性能，幸j j 步确定射流泵的资助水头为2 4 m ，回水2 5 3 5m 3 h 。 2 4 影响射流泵效率的主要因素 由丁二射流泵内部流动属于高雷诺数的强剪切湍流射流，两股流体混合时能量损失较人，冈f m 其效率较低，目前主要依靠试验来选择射流泵最优结构参数，提高其工作效率”。 射流泵的面积比( 混合管截面面积与喷嘴出口断面面积之比) 、混合管长度、喉嘴形状、喉嘴 距、喉嘴锥度、吸水管直径等对射流泵的效率均有不同程度的影响，其中面积比对泵的效率影响 最为显著，已被人量试验所证实。而面积比又受到水头比a h ( a h = ( 凰f 屯) ( 日r 毋) ) 、流h 比 q ( g = 刚0 ) 的制约和影响。当射流泵工况确定后，即：驱动水头凰供水扬程飓，吸水l 岛度趣 和吸水流罱q 2 为定值时，相应该泵的最优面积比也就为一定值。在相同面积比的情况卜通过 上述结构参数的合理组合，改善吸水室结构形状，提高过流部件表面粗糙度，保证安装精度，对 提高射流泵的效率也有一定的影响。由此，确定射流泵最优面积比是提高其效率的有效选释。= ”“。 射流器与离心泵配合工作，是水泵处于临界状态甚至是不能工作的非常时期，这一时蹦f 由效 率与上e 常时期是无法比较的。 2 5 射流器装置设计 设计射流泵结构时，根据实际技术数据，综合各种设计方案及现场应用情况，确定f u 编成射 流泵各零部件的结构形状及相互位置间的装配约束关系。重点对关键部件的结构进行设计。选取 适当的喷嘴与喉管的尺寸，对决定泵扬程与排量之间是否协调、提高射流泵的效率具有重要作州。 2 5 1 射流泵工作参数的确定 根据机井配套离心泵性能，水泵正常t 作时出水量为8 0d h ，干旱季节出水量为5 0m 。伯 则装置同流量为3 0m 3 h ，射流泵的流量比f l i6 7 ，由此查得断面比5 5 ，水头比h = 0 1 5 。 2 5 2 射流泵尺寸确定 射流泵的尺寸确定主要包括喷嘴尺寸确定、混合室尺寸确定、吸入室直径确定_ 个方面。 1 0 中国农业大学颁士学位论文 第一二章射流泵工作腺埋及实验i ：2 i ( 1 ) 喷嘴尺寸确定 喷嘴尺寸确定主要包括：喷嘴直径、喷嘴长度、喷嘴距三个方面，具体计算数值如h 射流器：r 作流量： t 作水头 则喷嘴直径 取d o = 2 7 m m ，喷嘴长度： 9 l = 3 0 m 。1 3 h ：生：三：1 3 3 。 1 h0 1 5 以- o s s 务0 , 5 - o 嘶s m 铲慈卅m m 式中以为装置回水管直径，根据同流量取d 2 = 8 0 m m 喷嘴距： = ( 1 2 2 4 ) d o = 3 2 4 6 4 8 m m 取l = 6 0 m m ( 2 ) 混合室尺寸确定 混合室尺寸确定主要包括混合室直径、混台室长度、扩散管长度三个方面。 混台室直径： d 混= 而护6 3 3 m m 取如= 6 3 m m 混合室长度 或 l 混= ( 6 7 ) d 混= 3 7 8 4 4 1 m i l l l 混= ( 7 5 1 2 ) a 混= 2 0 3 3 2 4 1 m 取混= 3 5 0 m m ，扩散管长度： 中国农业大学顿十学位论文 第二章射流采工作原耻及实验世计 b 2 繁翊2 4 m m 取f = 3 0 0 m m 式中：d e 为吸水管直释，取d 4 = 1 0 0 m m ，a 为扩散角，取a = 5 。1 0 。 ( 3 ) 吸入室参数确定 吸入室设计参数主要包括：吸入室直径、吸入室底阀直径。具体确定办法如下 吸入室直径： 拈等埘= 0 1 5 5 m , 取d = - 1 6 0 m m 。 式中：k 为吸入室流速，取k = 1 0 m s 吸入室底阀直径：为减少底阀过流损失，直径取为1 5 0 m m 。 根据以上计算结果设计的射流泵形状和尺寸见图2 6 。 j j 、 卜_ i 专三2 三? 注：( 1 ) 图中单位为m m ；( 2 ) 射流泵用2 m m 钢板t l o t , ( 3 ) 底阀用标准0 # 5 0 阀板加法兰固定 图2 - 6 射流器形状、尺寸图 2 1f1一、 剧=二二门川【 _l引叫jj+毕f【l叫叫_ 制u 中国农业大学硕+ 学位论文第二章射流泉t 作原理发实验鞋【l 2 6 射流泵装置设计及工作点校核 2 6 1 射流泵性能盐线 当射流泵的断面比m = 5 5 时，q 关系为h = 0 0 8 2 8 3 ( 3 4 5 4 一q ) 射流泵工作水头： 日i = 片挣+ 蔓珙一s 口谚= 1 6 + 4 9 4 5 q s z 一2 7 4 9 7 谚 ( 2 - 1 ) 式中hh 为出水池水位与井中动水位之差，s c 、册分别为出水管( 1 0 m 橡胶管) 硐i 同水管 ( 1 2 m 庐8 0 软管) 的水头损失系数。根据喷嘴性能： v o = o o , 2 9 日1 得： 墨吨压两面薅丽 式中嘞为喷嘴流量系数，取0 9 5 整理_ 二式得： d ，2 ：1 6 + 4 9 4 5 q ； ( 2 2 ) 。 2 0 0 1 2 1 射流泵扬程与吸入流量关系如式( 2 - 3 ) 所示： h 射2 s ，一s s + ，：2 。s s q 。2 - 1 4 8 2 1 8 了亍菰o s 一4 5 8 0 5 了i i 舞。：， + 2 0 3 6 4 1 + 3 0 9 1 联g 由式( 2 - 3 ) 计算得到不同吸入流量情况下射流泵扬程见表2 - 1 。 表2 - 1 射流泵扬程与吸入流量关系裹 g 顷m 3 删0 1 02 03 04 05 06 07 08 0 日“( m ) 3 9 4 93 6 0 23 2 7 32 9 5 62 6 5 22 3 5 62 0 6 71 7 8 31 5 0 i 2 6 2 水泵性能曲线 将 4 8 2 0 犁泵性能方程表达式为： h = 2 5 5 5 1 9 0 5 1 4 3 q 2 q = 绋+ 0 2 = o s + ( 24 ) 中国农业人学_ 颐上学位论文第二章射流泵工作隙埋硬实骑碰i l 代入上式整理得水泵扬程与丛关系如式( 2 - 5 ) 所示。 日：2 5 5 5 1 9 0 5 1 4 3 ( 9 s o 0 0 8 9 4 而i 】2 ( 2j ) 由式( 2 - 5 ) 计算得到不同吸入流量f 水泵扬程见表2 2 。 表2 - 2水泵扬程与吸入滴量关系表 2 6 3 装置性能曲线 h 需= h 净+ s s ( o s + q 2 ) 2 + 只9 ；一h 射 ( 2 “) 式中品为装置吸水管( 1 0 m 橡胶管带底阀) 的水头损失系数。 将蜴= o 0 0 8 9 4 扛面丽i 带入k 式，得装置需要扬程与吸入流量关系如式( 2 - - 7 ) 所示。 h 需：1 6 + 7 4 7 0 ( q s + o 0 0 8 9 4 厩 2 + 4 9 4 5 q s 2 一h 射：h - h 射( 27 ) 由式( 2 - 7 ) 计算得到不同吸入流量下装置需要的扬程见表2 - 3 。 表2 - 3装置需要扬程与暇入流量关系表 2 6 4 装置工作点 将水泵弘电、肛一幺曲线和装置j v _ 一绕曲线及射流泵h ”魏曲线绘于同一张幽上，弛幽2 - 7 。 孰 j 望：h 、 q h 口。h 。 、g ，以 ? 一 02 0a 0 蚰5 06 07 08 09 01 0 0g 似，脚 5 759 1 5 图2 - 7 装置工作点求解围 t 4 趵m 峙 m 。叭。 中国农业大学硕士学位论文 第一章射流泵工作腺理及实验世讨 h 函曲线与h * 0 s 曲线的交点a 即为装n x - 作点。水泵流量q = 9 1 5m 3 h ，装葺小水单 ( j _ f 5 7 7m 3 h ，回水量q 户3 3 8m 。h ，水射器资助水头h h = 2 1 m 。 设计装置工作点校核计算结果与设计水射器时预定的指标基本一致，设计预定指标为水泵流 萤8 01 1 1 3 h ，装置出水量为5 0i l l 3 h ，装置回水量为3 0m 3 h ( 射流泵的流量比q = 1 6 7 ) ，水射器l 作水头1 5 m ，水头比h = o 1 5 ，资助水头2 2 5 m 。 中国农业大学硕十学位论文 第三章实验测试项口4 - 计锌 3 1 基本测试项目 第三章实验测试项目与计算 本研究的目的是利用射流泵改善机井离心泵吸水性能，使已处于临界状态或以无法止常i ：作 的机持离- t l , 泵抽水装置，经过改造恢复正常工作，因此基本测试项日主要包括流量测鼍、净日搜科 测量、水泵吸上真空高度值和扬程值测量等几个方面。 3 1 1 流量测量 以固定式流速流量仪测量为主，用标准9 0 。三角堰校核，流景仪测量误差为：1 。 ( i ) 流量仪测量 平均流速： 矿= ( 等卜 式中：矿平均流速，m s ； 7 测量历时，采用5 s ； _ 一流量仪读数； k 、c 一仪表常数k = 0 1 0 9 ，c = 0 0 5 3 2 ； 岛一流速修正系数，取k p = 0 8 8 。 流鼙： q = 3 6 0 0 v a 式中：9 一流量，m 3 s ： 一测量断面面积( m 2 ) ； 其他符号意义同前。 ( 2 ) 三角堰测量 流量： 式中：9 流量，m 3 s ； 仔一堰上水头( m ) q = 3 6 0 0 m h 2 5 ( 31 ) ( = j2 ) ( ：卜3 ) 中国农业大学硕士学位论文 第三章实验测试顺目j 汁并 产一一二角堰常数，取i 4 。 3 1 2 净吸程测量 用拴有霞锤的水位测探仪测量。测量误差为：0 5 。 3 1 3 水泵吸上真空高度值和扬程测量 朋0 5 级真空表和压力表测量。测量误差为1 。 水泵吸上真空高度： h o = o 0 1 3 6 m z l 式中：肼一真空表读数( m m h g ) 西真空表测压点与泵轴线高差( m ) 。当测压点高于泵轴线时，z ，为正；低丁泵轴线时 z ，为负。 水泵扬程： h = 亿：一z 1 ) + o 0 1 3 6 m + 1 0 p + ( 曙一k 2 ) 2 9 ( i 5 ) 式c f ：z 2 一z j 表位著( m ) ，即压力表轴与真空表测压点的距离； p _ 一压力表读数( k p a ) ； 巧，屹水泵进出口流速( m s ) 。 当进出口测压断面管径一致时，两者相等，即孵一k 2 ) 2 9 = o 。 以上基本项目测量的综合误差为4 0 0 12 + o 0 12 + o 0 0 5 2 + o o l2 = o 0 1 8 ，即1 8 ，符合 水利电力部机井测试综合误差不人于5 的规定。 3 ，1 4 辅助项目：供分析研究用 功率测量：用两块功率表加电流互感器并联测量。 电动机输入功率： n = c k ( a l + a 2 ) ( ：j6 ) 式中：c _ 一功率表常数为1 w ； a 、两块功率表读数； 岳一电流互感器变比，为1 0 。 转速测量：用手持离心式转速表测量；净压程测量：用水准仪与钢卷尺测量。 3 2 射流器的计算 中囝农业大学碗上学位论文第三章实验删试顺口。汁醉 射流器的数值计算主要包括资助水头计算、装置效率计算两个方面。 3 2 1 射流器资助水头计算 h 射= h f ，一h ；+ 日 式中：h ，日：分别为装射流器前后某流量时真空值( m ) 凸件一装射流器前后两次测量井中动水付差值( m ) 。 3 2 2 装置效率计算 p g q h 蚀2 嵩 式中”# 一一装置效率； 9 一一装置出水量( m 3 s ) ： 口水的密度。p = 0 0 0 k g m 3 h 4 装置净扬量( m ) ； 电动机输入功率。 1 8 ( ： 8 ) 中国农业大学砍上学位论文第四章测试站果_ 分析 4 1 现场测试 ( 1 ) 测试现场 第四章测试结果与分析 为便于观测和操作，测试现场选在野外的一眼大口井上，井径为3 m ，静水位；l 【深3 5 m ，义 高5 2 5 m 的高山水池和渡管与渠道连接。安装泵型为4