下吸式井用潛水電泵的設計研發

夏美珍　林榮　顏成剛

摘 要：為了解決潛水泵揚程短、運行效率低的現象，作者針對下吸式井用潛水電泵進行了優化設計分析。其中包括：電機設計、潛水泵設計、葉輪和導葉設計，潛水電泵采用上下兩部分，上端采用不同規格的流量水泵，下端采用單級水泵，增大水泵的工作揚程。作者在此進行了詳細分析，以便于提供可參考性的依據。

關鍵詞：潛水泵；下吸式；設計研發；單級水泵

引言

原有水泵揚程短，并且設備故障率也較高。主要是因為電機結構設計不完善，造成在運行過程中電機組無法處于穩定狀態。而現有模式通過對水泵的優化設計，不但降低了水泵的故障率，而且還增大了水泵的揚程。

1 下吸式井用潛水電泵設計必要性

根據目前我國水資源分布情況進行分析，我國長江以南地區雨水充沛，使用地下水灌溉農田的次數較少。而我國的華北、東北一帶，每年用于灌溉農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%。主要是因為潛水電泵的電機安裝在底下部，若含沙量超標，便會帶入電機內部，使電機產生大量的熱量，燒毀內部的轉子。所以針對這種要求，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。目前我國由于地下水資源的匱乏，采取了南水北調工程，使之補充地下水資源。隨著國內創新技術的不斷改進，對潛水泵進行了第二次創新，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采。該區域處于中層淺水層，含沙量較高，但下吸式潛水泵進水口設置在底部，在運行工作時，地下水可從底部進入，連同砂石一起帶入進水口，避免出現了電機燒毀的現象。其次便是該水泵選用合金材質，密封性較高，在運行期間可增大工作揚程。

2 下吸式井用潛水電泵設計方案

在下吸式井用潛水電泵設計優化方案中對電機、潛水泵以及葉輪和導葉進行了改進，包括選用較大功率的電機、QJ系列的潛水泵以及對葉輪、葉片目標函數的設定等，保證下吸式潛水電泵處于安全穩定的運行狀態。

2.1 電機設計

原有電泵揚程短、功率小，并且設計結構不完善，導致電機出現故障的概率大大增加。而現有下吸式潛水電泵對電機整體結構進行了優化設計，采用了變頻形式的電機類型，自動調整運行功率。水泵在運行過程中，揚程不斷增大，該電機便會根據揚程的大小，自動調節至適當的頻率，保證電機功率處于穩定狀態。例如：潛水泵流量32m3/h，揚程200米，功率45kW，機組外徑184mm。在運行過程中，若增大揚程至300米，潛水泵流量便會變為65m3/h，運行功率60kW。變頻電機便會調節內部電磁感應頻率，使電磁振蕩器的振動頻率達到8700Hz。潛水電泵便會根據頻率增大運行功率。電機密封性關系到內部器件的磨損，原有電機內部轉子采用的減震墊片材質為再生橡膠，電機長期運行，便會磨損該減震墊片，造成后期電機內部轉子的松動。而下吸式潛水電泵所采用的橡膠材質為硅膠，適用溫度100℃，耐磨性好，其次還具有耐酸堿的特性，在電機轉子及其他裝置中能夠起到很好的減震作用，水泵內部吸走的流沙也不會磨損該器件。其次在水泵使用方式上也進行了改進，上部使用QJ系列的水泵，下部采用單級水泵。原有潛水電泵運行過程中，內部壓強為12個標準氣壓，與外部形成較大的壓差，而采用QJ系列的水泵能夠增大揚程，單級水泵抵抗外界壓力，減少水泵內外壓差。

單級水泵保證內外之間的壓強差在5個標準氣壓值內，有利于改善水泵的運行環境。

2.2 潛水泵設計

潛水泵設計結構如圖1所示，1為法蘭、2為甩沙環、3為機械密封、4為上導軸承、5為軸套、6為軸瓦、7為定子線圈、8為密封圈、9為機殼、10為軸、11為螺釘、12下導軸承、13為滑板、14為止推軸承、15為止推軸承座、16為放水孔、17為調節囊、18為底座、19為上端機殼、20為注水孔、21為放氣孔。潛水泵上端部分設計了三種不同流量的水泵，排水量分別為12m3/h、25m3/h以及38m3/h。下端部分采用單級水泵，選用10米水泵揚程。這種設計結構能夠配備20多種不同形式的揚程，根據排水量的不同，調節不同水泵揚程大小，保證在運行環境中，噴射揚程能達到最大值。假設上端水泵調節排水量在25m3/h，下端選用10米揚程水泵，則總體噴射的最大揚程為150米，其次機組外徑最大可調節至220mm，這種規格的機組外徑可適用于240mm外徑的管井，保證整個機組系統處于穩定運行狀態。

2.3 葉輪和導葉設計

葉輪流體半徑設計中，通過改變外側半徑Rc以及流道中線的長度增大離心葉輪的過水斷面的面積F，但是隨著長度L的增加，該面積便會趨于一定峰值。所以在現有技術中通過改變葉輪前后的軸面曲線實現流道中線長度參數的變化，以此控制過水斷面的面積。作者對前后軸面制定了參數方程，其中i為軸面流線的曲率，曲率越小葉輪軸體運行的壓強便越大。n為離心葉輪控制曲線的階數，f為離心泵曲面向徑、u為離心葉輪動態參數。通過改變參數方程中的未知量，來改變葉輪半徑大小。導葉設計結構與上下端寬度有關，設計結構中保證上下端寬度在32-46mm，使得水泵單級揚程隨著排水量的增加而減少，降低水泵的故障率。

3 應用情況及技術性對比

對潛水電泵整個機組檢查，用兆歐表對機組所有電感元器件進行測量，測量數據值與實際使用值進行比對。然后對水泵正式啟用，選用不同排水量水泵的調測值，實驗結果顯示，當電機轉子運行速率達到3600rad/min時，其揚程已達到225米。并且當處于高速運行狀態時，電機機殼溫度始終處于標準范圍內。其次便是在技術方面，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，有利于葉輪導葉流體流速處于穩定階段。通過對潛水電泵應用情況及技術性比對，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 結束語

通過對下吸式井用潛水泵的設計研發，作者對于該結構有了更為深刻的認知。這種結構，不但降低了設備的故障率，而且還提升了機組整體的運行效率。這種下吸式潛水泵將會用于諸多領域，以此提高市場經濟效益。

參考文獻

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