井用潛水泵的試驗(yàn)研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

侯 鋒

（山西省呂梁市興縣晉興能源有限公司斜溝煤礦水暖環(huán)?？?， 山西 興縣 033600）

引言

煤礦生產(chǎn)作為綜合類(lèi)生產(chǎn)行業(yè)，其涉及到的生產(chǎn)環(huán)節(jié)及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備眾多。除了耳熟能詳?shù)牟擅簷C(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等大型機(jī)電設(shè)備外，還有很多設(shè)備僅有部分專(zhuān)業(yè)人士知道其名稱(chēng)和用途。井用潛水泵是煤礦生產(chǎn)中重要的地下水提取設(shè)備，除此之外該設(shè)備還被廣泛應(yīng)用于河流、水庫(kù)以及水渠等提水工程中。在實(shí)際應(yīng)用中將井用潛水泵和電機(jī)連接成一個(gè)整體同時(shí)放入水中工作完成地下水到地表的提取任務(wù)[1]。但是，井用潛水泵在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中由于技術(shù)人員設(shè)計(jì)思想存在局限性導(dǎo)致我國(guó)自主生產(chǎn)的潛水泵性能不佳。因此，需對(duì)潛水泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體闡述如下。

1 井用潛水泵現(xiàn)狀分析

鑒于潛水泵造價(jià)低、使用方便以及運(yùn)行噪音小等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)潛水泵結(jié)構(gòu)及零部件的選型設(shè)計(jì)是按照清水泵的思路完成設(shè)計(jì)并制造。但是，煤礦綜采工作面的水質(zhì)是有液相和固相兩種狀態(tài)物質(zhì)組成的。因此，基于清水泵思路設(shè)計(jì)并制造的潛水泵在煤礦中應(yīng)用常會(huì)出現(xiàn)工作效率低、過(guò)流部件磨損嚴(yán)重以及壽命短等問(wèn)題。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐可知，井用潛水泵磨損最為嚴(yán)重的部位為葉輪[2]。使用一段時(shí)間后的潛水泵會(huì)出現(xiàn)葉輪表面凹凸不平，繼而導(dǎo)致潛水泵的工作效率無(wú)法滿足工作面的生產(chǎn)需求；與此同時(shí)，潛水泵葉輪及葉片的磨損不均勻?qū)е缕湓诠ぷ鲿r(shí)會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)線性，從而導(dǎo)致潛水泵在工作時(shí)的振動(dòng)加劇，繼而降低了泵內(nèi)軸承和軸風(fēng)的使用壽命。

針對(duì)當(dāng)期前井用潛水泵的使用現(xiàn)狀及其面臨的問(wèn)題，本文在井用潛水泵試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)該設(shè)備的葉輪、葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 井用潛水泵的工業(yè)性試驗(yàn)研究

目前，一般采用仿真分析+實(shí)踐應(yīng)用的手段分析設(shè)備所存在的不足和急需改進(jìn)的方向。但是，基于仿真分析手段并不能準(zhǔn)確獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其與模型試驗(yàn)的結(jié)果還存在一定的差距。因此，本文采用模型試驗(yàn)對(duì)井用潛水泵的性能進(jìn)行研究分析。

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)裝置

本文以后傾式葉輪和空間導(dǎo)葉的井用潛水泵為研究對(duì)象，通過(guò)采用流量計(jì)和壓力傳感器等測(cè)量設(shè)備對(duì)潛水泵在實(shí)際工作時(shí)的出口壓力和出口流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，繼而得到潛水泵揚(yáng)程和流量（H-Q）曲線及潛水泵流量和效率（η-Q）曲線。揚(yáng)程測(cè)量所依據(jù)的原理如公式（1）所示：

式中：H為潛水泵的揚(yáng)程；Z1為潛水泵進(jìn)水處的高度；Z3為潛水泵出水口處的高度；P1為潛水泵進(jìn)水處的壓力；P2為潛水泵出水口處的壓力；ρ 為流經(jīng)潛水泵介質(zhì)的密度；v1為潛水泵進(jìn)水處的平均流速；v2為潛水泵出水口處的平均流速；g為重力加速度。本次試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置如下頁(yè)圖1 所示。

2.2 潛水泵試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)著重分析潛水泵在不同流量狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的潛水泵工作效率以及揚(yáng)程[3]。試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)表1 所示。

分析表1 可知，隨著潛水泵流量的增加其對(duì)應(yīng)的效率值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其最大效率在潛水泵流量為36 m3/h 時(shí)產(chǎn)生；而潛水泵揚(yáng)程隨著流量增大而減小，二者呈現(xiàn)反比的關(guān)系。

3 潛水泵葉輪及導(dǎo)葉的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文所研究的潛水泵是由傾斜式葉輪和空間導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)成的[4]。因此，針對(duì)該類(lèi)型潛水泵的優(yōu)化需對(duì)

圖1 潛水泵模型試驗(yàn)裝置示意圖

表1 不同流量下潛水泵工作效率及揚(yáng)程對(duì)比葉輪和導(dǎo)葉兩個(gè)部件進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 潛水泵葉輪及導(dǎo)葉優(yōu)化設(shè)計(jì)要求

為確保潛水泵的最終優(yōu)化效果，經(jīng)對(duì)葉輪和導(dǎo)葉優(yōu)化設(shè)計(jì)后要求滿足如下功能性能：

1）經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后潛水泵的流量和揚(yáng)程滿足設(shè)計(jì)要求；

2）經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的潛水泵滿足高效率工作的要求；

3）經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后潛水泵要求設(shè)備在工作時(shí)的振動(dòng)和噪聲均比較小；

4）經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的潛水泵在工作時(shí)所承受的軸向力和徑向力均較小，保證設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性；

5）經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后潛水泵的制造成本較低且制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。

3.2 潛水泵優(yōu)化參數(shù)的確定

潛水泵后傾斜式葉輪和空間導(dǎo)葉為設(shè)備優(yōu)化的重點(diǎn)。后傾式葉輪和空間導(dǎo)葉兩個(gè)部件涉及的參數(shù)眾多，若對(duì)所有參數(shù)均進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其運(yùn)算量非常大且后期改進(jìn)時(shí)的制造成本也較高。此外，潛水泵受到工作面井徑的限制，最好不對(duì)后傾式葉輪的進(jìn)門(mén)口直徑和空間導(dǎo)葉的出口直徑進(jìn)行改變[5]。

綜上所述，僅對(duì)后傾式葉輪的進(jìn)口角和出口角以及空間導(dǎo)葉的進(jìn)口角和出口角四個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)潛水泵上述參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)所采用的優(yōu)化流程如圖2 所示。

圖2 潛水泵葉輪及導(dǎo)葉優(yōu)化設(shè)計(jì)流程示意圖

3.3 潛水泵優(yōu)化結(jié)果分析

潛水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)所選用的工況為其效率最高的工況，此時(shí)潛水泵對(duì)應(yīng)的流量為36 m3/h，與其對(duì)應(yīng)的潛水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 850 r/min。葉輪和導(dǎo)葉優(yōu)化的約束條件為潛水泵的效率。潛水泵葉輪和導(dǎo)葉優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)比及對(duì)應(yīng)效率如表2 所示。

表2 潛水泵優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

如表2 所示，經(jīng)對(duì)潛水泵后傾式葉輪和空間導(dǎo)葉進(jìn)口角和出口角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，潛水泵的揚(yáng)程和效率均得到顯著提升。其中，優(yōu)化后潛水泵的揚(yáng)程從優(yōu)化前的6.6 m 增加到當(dāng)前的7.7 m，優(yōu)化后潛水泵的效率從優(yōu)化前的70%提升到當(dāng)前的74%。綜上所述，對(duì)潛水泵后傾斜式葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)出口角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后極大提升了設(shè)備在大流量工作區(qū)的性能，增加了潛水泵的運(yùn)行穩(wěn)定性，即證明本文對(duì)潛水泵葉輪和葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效的。

4 結(jié)語(yǔ)

井用潛水泵作為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要承擔(dān)將地下水排放至地面的功能。為解決潛水泵在實(shí)際應(yīng)用中效率低、振動(dòng)大、磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，以后傾斜式葉輪和空間導(dǎo)葉組成的潛水泵為研究對(duì)象，以工作效率為目標(biāo)函數(shù)對(duì)葉輪和導(dǎo)葉的進(jìn)、出口角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，潛水泵的揚(yáng)程從6.6 m增加到7.7 m，效率從優(yōu)70%提升到74%，證明對(duì)潛水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行，應(yīng)在今后推廣應(yīng)用。