下吸式井用潛水電泵的設(shè)計(jì)研發(fā)

夏美珍　林榮　顏成剛

摘 要：為了解決潛水泵揚(yáng)程短、運(yùn)行效率低的現(xiàn)象，作者針對(duì)下吸式井用潛水電泵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。其中包括：電機(jī)設(shè)計(jì)、潛水泵設(shè)計(jì)、葉輪和導(dǎo)葉設(shè)計(jì)，潛水電泵采用上下兩部分，上端采用不同規(guī)格的流量水泵，下端采用單級(jí)水泵，增大水泵的工作揚(yáng)程。作者在此進(jìn)行了詳細(xì)分析，以便于提供可參考性的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：潛水泵；下吸式；設(shè)計(jì)研發(fā)；單級(jí)水泵

引言

原有水泵揚(yáng)程短，并且設(shè)備故障率也較高。主要是因?yàn)殡姍C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不完善，造成在運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)組無(wú)法處于穩(wěn)定狀態(tài)。而現(xiàn)有模式通過(guò)對(duì)水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但降低了水泵的故障率，而且還增大了水泵的揚(yáng)程。

1 下吸式井用潛水電泵設(shè)計(jì)必要性

根據(jù)目前我國(guó)水資源分布情況進(jìn)行分析，我國(guó)長(zhǎng)江以南地區(qū)雨水充沛，使用地下水灌溉農(nóng)田的次數(shù)較少。而我國(guó)的華北、東北一帶，每年用于灌溉農(nóng)田的地下水占總灌溉用量的65%。潛水電泵在使用方面具有一定的限制條件，要求所抽取地下水的含沙量小于0.01%。主要是因?yàn)闈撍姳玫碾姍C(jī)安裝在底下部，若含沙量超標(biāo)，便會(huì)帶入電機(jī)內(nèi)部，使電機(jī)產(chǎn)生大量的熱量，燒毀內(nèi)部的轉(zhuǎn)子。所以針對(duì)這種要求，便需要加大打井深度，保證深度在130米以下，可是隨著深度的不斷加深，地下水便不斷減少。目前我國(guó)由于地下水資源的匱乏，采取了南水北調(diào)工程，使之補(bǔ)充地下水資源。隨著國(guó)內(nèi)創(chuàng)新技術(shù)的不斷改進(jìn)，對(duì)潛水泵進(jìn)行了第二次創(chuàng)新，采用下吸式井用潛水電泵，這種電泵能夠適用的井下深度在80-130米，避免了深層地下水的開(kāi)采。該區(qū)域處于中層淺水層，含沙量較高，但下吸式潛水泵進(jìn)水口設(shè)置在底部，在運(yùn)行工作時(shí)，地下水可從底部進(jìn)入，連同砂石一起帶入進(jìn)水口，避免出現(xiàn)了電機(jī)燒毀的現(xiàn)象。其次便是該水泵選用合金材質(zhì)，密封性較高，在運(yùn)行期間可增大工作揚(yáng)程。

2 下吸式井用潛水電泵設(shè)計(jì)方案

在下吸式井用潛水電泵設(shè)計(jì)優(yōu)化方案中對(duì)電機(jī)、潛水泵以及葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行了改進(jìn)，包括選用較大功率的電機(jī)、QJ系列的潛水泵以及對(duì)葉輪、葉片目標(biāo)函數(shù)的設(shè)定等，保證下吸式潛水電泵處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 電機(jī)設(shè)計(jì)

原有電泵揚(yáng)程短、功率小，并且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不完善，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)故障的概率大大增加。而現(xiàn)有下吸式潛水電泵對(duì)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了變頻形式的電機(jī)類型，自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行功率。水泵在運(yùn)行過(guò)程中，揚(yáng)程不斷增大，該電機(jī)便會(huì)根據(jù)揚(yáng)程的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)念l率，保證電機(jī)功率處于穩(wěn)定狀態(tài)。例如：潛水泵流量32m3/h，揚(yáng)程200米，功率45kW，機(jī)組外徑184mm。在運(yùn)行過(guò)程中，若增大揚(yáng)程至300米，潛水泵流量便會(huì)變?yōu)?5m3/h，運(yùn)行功率60kW。變頻電機(jī)便會(huì)調(diào)節(jié)內(nèi)部電磁感應(yīng)頻率，使電磁振蕩器的振動(dòng)頻率達(dá)到8700Hz。潛水電泵便會(huì)根據(jù)頻率增大運(yùn)行功率。電機(jī)密封性關(guān)系到內(nèi)部器件的磨損，原有電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子采用的減震墊片材質(zhì)為再生橡膠，電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，便會(huì)磨損該減震墊片，造成后期電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子的松動(dòng)。而下吸式潛水電泵所采用的橡膠材質(zhì)為硅膠，適用溫度100℃，耐磨性好，其次還具有耐酸堿的特性，在電機(jī)轉(zhuǎn)子及其他裝置中能夠起到很好的減震作用，水泵內(nèi)部吸走的流沙也不會(huì)磨損該器件。其次在水泵使用方式上也進(jìn)行了改進(jìn)，上部使用QJ系列的水泵，下部采用單級(jí)水泵。原有潛水電泵運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)部壓強(qiáng)為12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣壓，與外部形成較大的壓差，而采用QJ系列的水泵能夠增大揚(yáng)程，單級(jí)水泵抵抗外界壓力，減少水泵內(nèi)外壓差。

單級(jí)水泵保證內(nèi)外之間的壓強(qiáng)差在5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣壓值內(nèi)，有利于改善水泵的運(yùn)行環(huán)境。

2.2 潛水泵設(shè)計(jì)

潛水泵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，1為法蘭、2為甩沙環(huán)、3為機(jī)械密封、4為上導(dǎo)軸承、5為軸套、6為軸瓦、7為定子線圈、8為密封圈、9為機(jī)殼、10為軸、11為螺釘、12下導(dǎo)軸承、13為滑板、14為止推軸承、15為止推軸承座、16為放水孔、17為調(diào)節(jié)囊、18為底座、19為上端機(jī)殼、20為注水孔、21為放氣孔。潛水泵上端部分設(shè)計(jì)了三種不同流量的水泵，排水量分別為12m3/h、25m3/h以及38m3/h。下端部分采用單級(jí)水泵，選用10米水泵揚(yáng)程。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠配備20多種不同形式的揚(yáng)程，根據(jù)排水量的不同，調(diào)節(jié)不同水泵揚(yáng)程大小，保證在運(yùn)行環(huán)境中，噴射揚(yáng)程能達(dá)到最大值。假設(shè)上端水泵調(diào)節(jié)排水量在25m3/h，下端選用10米揚(yáng)程水泵，則總體噴射的最大揚(yáng)程為150米，其次機(jī)組外徑最大可調(diào)節(jié)至220mm，這種規(guī)格的機(jī)組外徑可適用于240mm外徑的管井，保證整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 葉輪和導(dǎo)葉設(shè)計(jì)

葉輪流體半徑設(shè)計(jì)中，通過(guò)改變外側(cè)半徑Rc以及流道中線的長(zhǎng)度增大離心葉輪的過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣eF，但是隨著長(zhǎng)度L的增加，該面積便會(huì)趨于一定峰值。所以在現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)改變?nèi)~輪前后的軸面曲線實(shí)現(xiàn)流道中線長(zhǎng)度參數(shù)的變化，以此控制過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e。作者對(duì)前后軸面制定了參數(shù)方程，其中i為軸面流線的曲率，曲率越小葉輪軸體運(yùn)行的壓強(qiáng)便越大。n為離心葉輪控制曲線的階數(shù)，f為離心泵曲面向徑、u為離心葉輪動(dòng)態(tài)參數(shù)。通過(guò)改變參數(shù)方程中的未知量，來(lái)改變?nèi)~輪半徑大小。導(dǎo)葉設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與上下端寬度有關(guān)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中保證上下端寬度在32-46mm，使得水泵單級(jí)揚(yáng)程隨著排水量的增加而減少，降低水泵的故障率。

3 應(yīng)用情況及技術(shù)性對(duì)比

對(duì)潛水電泵整個(gè)機(jī)組檢查，用兆歐表對(duì)機(jī)組所有電感元器件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)值與實(shí)際使用值進(jìn)行比對(duì)。然后對(duì)水泵正式啟用，選用不同排水量水泵的調(diào)測(cè)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行速率達(dá)到3600rad/min時(shí)，其揚(yáng)程已達(dá)到225米。并且當(dāng)處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電機(jī)機(jī)殼溫度始終處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。其次便是在技術(shù)方面，軸垂面與葉片之間處于同一平行線，葉片包角范圍34-38°，上葉片與下葉片寬度差值±4cm，有利于葉輪導(dǎo)葉流體流速處于穩(wěn)定階段。通過(guò)對(duì)潛水電泵應(yīng)用情況及技術(shù)性比對(duì)，比原有水泵使用年限增加了兩年，并且故障率也大大降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)下吸式井用潛水泵的設(shè)計(jì)研發(fā)，作者對(duì)于該結(jié)構(gòu)有了更為深刻的認(rèn)知。這種結(jié)構(gòu)，不但降低了設(shè)備的故障率，而且還提升了機(jī)組整體的運(yùn)行效率。這種下吸式潛水泵將會(huì)用于諸多領(lǐng)域，以此提高市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]潘德民.農(nóng)用潛水電泵的研究設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，36（18）：25-26.

[2]袁秀文.井用潛水泵水利設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)看法[J].水泵技術(shù)，2010，58（72）：34-35.

[3]劉在倫，朱亮.潛水泵設(shè)計(jì)時(shí)值得注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].排灌機(jī)械，2003，35（2）：12-14.

[4]閆永強(qiáng)，梁武科.遺傳算法在離心泵葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，47（28）：16-17.