井用潛水泵的試驗研究及優化設計

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保科， 山西 興縣 033600）

引言

煤礦生產作為綜合類生產行業，其涉及到的生產環節及相關生產設備眾多。除了耳熟能詳的采煤機、刮板輸送機、液壓支架等大型機電設備外，還有很多設備僅有部分專業人士知道其名稱和用途。井用潛水泵是煤礦生產中重要的地下水提取設備，除此之外該設備還被廣泛應用于河流、水庫以及水渠等提水工程中。在實際應用中將井用潛水泵和電機連接成一個整體同時放入水中工作完成地下水到地表的提取任務[1]。但是，井用潛水泵在設計和制造過程中由于技術人員設計思想存在局限性導致我國自主生產的潛水泵性能不佳。因此，需對潛水泵進行優化設計，具體闡述如下。

1 井用潛水泵現狀分析

鑒于潛水泵造價低、使用方便以及運行噪音小等優勢，被廣泛應用于煤礦生產中。目前，國內針對潛水泵結構及零部件的選型設計是按照清水泵的思路完成設計并制造。但是，煤礦綜采工作面的水質是有液相和固相兩種狀態物質組成的。因此，基于清水泵思路設計并制造的潛水泵在煤礦中應用常會出現工作效率低、過流部件磨損嚴重以及壽命短等問題。

經現場實踐可知，井用潛水泵磨損最為嚴重的部位為葉輪[2]。使用一段時間后的潛水泵會出現葉輪表面凹凸不平，繼而導致潛水泵的工作效率無法滿足工作面的生產需求；與此同時，潛水泵葉輪及葉片的磨損不均勻導致其在工作時會產生脈動線性，從而導致潛水泵在工作時的振動加劇，繼而降低了泵內軸承和軸風的使用壽命。

針對當期前井用潛水泵的使用現狀及其面臨的問題，本文在井用潛水泵試驗研究的基礎上對該設備的葉輪、葉片進行優化設計。

2 井用潛水泵的工業性試驗研究

目前，一般采用仿真分析+實踐應用的手段分析設備所存在的不足和急需改進的方向。但是，基于仿真分析手段并不能準確獲得實驗結果，其與模型試驗的結果還存在一定的差距。因此，本文采用模型試驗對井用潛水泵的性能進行研究分析。

2.1 試驗內容及試驗裝置

本文以后傾式葉輪和空間導葉的井用潛水泵為研究對象，通過采用流量計和壓力傳感器等測量設備對潛水泵在實際工作時的出口壓力和出口流量等參數進行測量，繼而得到潛水泵揚程和流量（H-Q）曲線及潛水泵流量和效率（η-Q）曲線。揚程測量所依據的原理如公式（1）所示：

式中：H為潛水泵的揚程；Z1為潛水泵進水處的高度；Z3為潛水泵出水口處的高度；P1為潛水泵進水處的壓力；P2為潛水泵出水口處的壓力；ρ 為流經潛水泵介質的密度；v1為潛水泵進水處的平均流速；v2為潛水泵出水口處的平均流速；g為重力加速度。本次試驗的試驗裝置如下頁圖1 所示。

2.2 潛水泵試驗結果分析

本次試驗著重分析潛水泵在不同流量狀態下對應的潛水泵工作效率以及揚程[3]。試驗結果如下頁表1 所示。

分析表1 可知，隨著潛水泵流量的增加其對應的效率值呈現先增大后減小的趨勢，其最大效率在潛水泵流量為36 m3/h 時產生；而潛水泵揚程隨著流量增大而減小，二者呈現反比的關系。

3 潛水泵葉輪及導葉的優化設計

本文所研究的潛水泵是由傾斜式葉輪和空間導葉結構成的[4]。因此，針對該類型潛水泵的優化需對

圖1 潛水泵模型試驗裝置示意圖

表1 不同流量下潛水泵工作效率及揚程對比葉輪和導葉兩個部件進行優化。

3.1 潛水泵葉輪及導葉優化設計要求

為確保潛水泵的最終優化效果，經對葉輪和導葉優化設計后要求滿足如下功能性能：

1）經優化設計后潛水泵的流量和揚程滿足設計要求；

2）經優化設計后的潛水泵滿足高效率工作的要求；

3）經優化設計后潛水泵要求設備在工作時的振動和噪聲均比較小；

4）經優化設計后的潛水泵在工作時所承受的軸向力和徑向力均較小，保證設備的運行穩定性；

5）經優化設計后潛水泵的制造成本較低且制造工藝相對簡單。

3.2 潛水泵優化參數的確定

潛水泵后傾斜式葉輪和空間導葉為設備優化的重點。后傾式葉輪和空間導葉兩個部件涉及的參數眾多，若對所有參數均進行優化設計，其運算量非常大且后期改進時的制造成本也較高。此外，潛水泵受到工作面井徑的限制，最好不對后傾式葉輪的進門口直徑和空間導葉的出口直徑進行改變[5]。

綜上所述，僅對后傾式葉輪的進口角和出口角以及空間導葉的進口角和出口角四個參數進行優化設計。針對潛水泵上述參數的優化設計所采用的優化流程如圖2 所示。

圖2 潛水泵葉輪及導葉優化設計流程示意圖

3.3 潛水泵優化結果分析

潛水泵優化設計所選用的工況為其效率最高的工況，此時潛水泵對應的流量為36 m3/h，與其對應的潛水泵電動機的轉速為2 850 r/min。葉輪和導葉優化的約束條件為潛水泵的效率。潛水泵葉輪和導葉優化前后的參數對比及對應效率如表2 所示。

表2 潛水泵優化前后參數對比

如表2 所示，經對潛水泵后傾式葉輪和空間導葉進口角和出口角進行優化設計后，潛水泵的揚程和效率均得到顯著提升。其中，優化后潛水泵的揚程從優化前的6.6 m 增加到當前的7.7 m，優化后潛水泵的效率從優化前的70%提升到當前的74%。綜上所述，對潛水泵后傾斜式葉輪和導葉進出口角進行優化設計后極大提升了設備在大流量工作區的性能，增加了潛水泵的運行穩定性，即證明本文對潛水泵葉輪和葉片的優化設計是有效的。

4 結語

井用潛水泵作為煤礦生產的關鍵設備，其主要承擔將地下水排放至地面的功能。為解決潛水泵在實際應用中效率低、振動大、磨損嚴重等問題，以后傾斜式葉輪和空間導葉組成的潛水泵為研究對象，以工作效率為目標函數對葉輪和導葉的進、出口角進行優化設計。經優化設計后，潛水泵的揚程從6.6 m增加到7.7 m，效率從優70%提升到74%，證明對潛水泵的優化設計是可行，應在今后推廣應用。