下吸式井用潜水电泵的设计研发

夏美珍　林荣　颜成刚

摘 要：为了解决潜水泵扬程短、运行效率低的现象，作者针对下吸式井用潜水电泵进行了优化设计分析。其中包括：电机设计、潜水泵设计、叶轮和导叶设计，潜水电泵采用上下两部分，上端采用不同规格的流量水泵，下端采用单级水泵，增大水泵的工作扬程。作者在此进行了详细分析，以便于提供可参考性的依据。

关键词：潜水泵；下吸式；设计研发；单级水泵

引言

原有水泵扬程短，并且设备故障率也较高。主要是因为电机结构设计不完善，造成在运行过程中电机组无法处于稳定状态。而现有模式通过对水泵的优化设计，不但降低了水泵的故障率，而且还增大了水泵的扬程。

1 下吸式井用潜水电泵设计必要性

根据目前我国水资源分布情况进行分析，我国长江以南地区雨水充沛，使用地下水灌溉农田的次数较少。而我国的华北、东北一带，每年用于灌溉农田的地下水占总灌溉用量的65%。潜水电泵在使用方面具有一定的限制条件，要求所抽取地下水的含沙量小于0.01%。主要是因为潜水电泵的电机安装在底下部，若含沙量超标，便会带入电机内部，使电机产生大量的热量，烧毁内部的转子。所以针对这种要求，便需要加大打井深度，保证深度在130米以下，可是随着深度的不断加深，地下水便不断减少。目前我国由于地下水资源的匮乏，采取了南水北调工程，使之补充地下水资源。随着国内创新技术的不断改进，对潜水泵进行了第二次创新，采用下吸式井用潜水电泵，这种电泵能够适用的井下深度在80-130米，避免了深层地下水的开采。该区域处于中层浅水层，含沙量较高，但下吸式潜水泵进水口设置在底部，在运行工作时，地下水可从底部进入，连同砂石一起带入进水口，避免出现了电机烧毁的现象。其次便是该水泵选用合金材质，密封性较高，在运行期间可增大工作扬程。

2 下吸式井用潜水电泵设计方案

在下吸式井用潜水电泵设计优化方案中对电机、潜水泵以及叶轮和导叶进行了改进，包括选用较大功率的电机、QJ系列的潜水泵以及对叶轮、叶片目标函数的设定等，保证下吸式潜水电泵处于安全稳定的运行状态。

2.1 电机设计

原有电泵扬程短、功率小，并且设计结构不完善，导致电机出现故障的概率大大增加。而现有下吸式潜水电泵对电机整体结构进行了优化设计，采用了变频形式的电机类型，自动调整运行功率。水泵在运行过程中，扬程不断增大，该电机便会根据扬程的大小，自动调节至适当的频率，保证电机功率处于稳定状态。例如：潜水泵流量32m3/h，扬程200米，功率45kW，机组外径184mm。在运行过程中，若增大扬程至300米，潜水泵流量便会变为65m3/h，运行功率60kW。变频电机便会调节内部电磁感应频率，使电磁振荡器的振动频率达到8700Hz。潜水电泵便会根据频率增大运行功率。电机密封性关系到内部器件的磨损，原有电机内部转子采用的减震垫片材质为再生橡胶，电机长期运行，便会磨损该减震垫片，造成后期电机内部转子的松动。而下吸式潜水电泵所采用的橡胶材质为硅胶，适用温度100℃，耐磨性好，其次还具有耐酸碱的特性，在电机转子及其他装置中能够起到很好的减震作用，水泵内部吸走的流沙也不会磨损该器件。其次在水泵使用方式上也进行了改进，上部使用QJ系列的水泵，下部采用单级水泵。原有潜水电泵运行过程中，内部压强为12个标准气压，与外部形成较大的压差，而采用QJ系列的水泵能够增大扬程，单级水泵抵抗外界压力，减少水泵内外压差。

单级水泵保证内外之间的压强差在5个标准气压值内，有利于改善水泵的运行环境。

2.2 潜水泵设计

潜水泵设计结构如图1所示，1为法兰、2为甩沙环、3为机械密封、4为上导轴承、5为轴套、6为轴瓦、7为定子线圈、8为密封圈、9为机壳、10为轴、11为螺钉、12下导轴承、13为滑板、14为止推轴承、15为止推轴承座、16为放水孔、17为调节囊、18为底座、19为上端机壳、20为注水孔、21为放气孔。潜水泵上端部分设计了三种不同流量的水泵，排水量分别为12m3/h、25m3/h以及38m3/h。下端部分采用单级水泵，选用10米水泵扬程。这种设计结构能够配备20多种不同形式的扬程，根据排水量的不同，调节不同水泵扬程大小，保证在运行环境中，喷射扬程能达到最大值。假设上端水泵调节排水量在25m3/h，下端选用10米扬程水泵，则总体喷射的最大扬程为150米，其次机组外径最大可调节至220mm，这种规格的机组外径可适用于240mm外径的管井，保证整个机组系统处于稳定运行状态。

2.3 叶轮和导叶设计

叶轮流体半径设计中，通过改变外侧半径Rc以及流道中线的长度增大离心叶轮的过水断面的面积F，但是随着长度L的增加，该面积便会趋于一定峰值。所以在现有技术中通过改变叶轮前后的轴面曲线实现流道中线长度参数的变化，以此控制过水断面的面积。作者对前后轴面制定了参数方程，其中i为轴面流线的曲率，曲率越小叶轮轴体运行的压强便越大。n为离心叶轮控制曲线的阶数，f为离心泵曲面向径、u为离心叶轮动态参数。通过改变参数方程中的未知量，来改变叶轮半径大小。导叶设计结构与上下端宽度有关，设计结构中保证上下端宽度在32-46mm，使得水泵单级扬程随着排水量的增加而减少，降低水泵的故障率。

3 应用情况及技术性对比

对潜水电泵整个机组检查，用兆欧表对机组所有电感元器件进行测量，测量数据值与实际使用值进行比对。然后对水泵正式启用，选用不同排水量水泵的调测值，实验结果显示，当电机转子运行速率達到3600rad/min时，其扬程已达到225米。并且当处于高速运行状态时，电机机壳温度始终处于标准范围内。其次便是在技术方面，轴垂面与叶片之间处于同一平行线，叶片包角范围34-38°，上叶片与下叶片宽度差值±4cm，有利于叶轮导叶流体流速处于稳定阶段。通过对潜水电泵应用情况及技术性比对，比原有水泵使用年限增加了两年，并且故障率也大大降低。

4 结束语

通过对下吸式井用潜水泵的设计研发，作者对于该结构有了更为深刻的认知。这种结构，不但降低了设备的故障率，而且还提升了机组整体的运行效率。这种下吸式潜水泵将会用于诸多领域，以此提高市场经济效益。

参考文献

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