超高扬程井用潜水电泵的研发设计

超高扬程井用潜水电泵的研发设计

李爱莲

山东轻工职业学院山东周村255300

摘要：随着机械现代化的发展，潜水电泵成为排水系统中的重要设备。潜水电泵将潜水电机与水泵连为一体，潜水电机工作环境复杂，较一般电机更易发生过流、渗水等故障，导致电机烧毁。本文对超高扬程井用潜水电泵技术上存在的问题及使用特点，在潜水电动机电磁设计，潜水泵水力模型设计等方面进行了研究，使该产品性能指标大大提升。

关键词：超高扬程；潜水电泵；研发设计

一、潜水泵装置简介

1.潜水泵装置类别特点

潜水泵装置是将潜水电机技术与灌流泵技术结合产生的电机一体化产品，解决了传统灌流泵机组冷却密封等问题。潜水泵装置可分为卧式，立式与斜式潜水泵，井筒式潜水泵装置为目前立式潜水泵装置主要的应用形式。潜水泵装置由流水道，潜水泵与出水流道组成，卧式按照潜水灌流泵装置进出水流道形状简单，符合水泵叶轮基本假设条件，立式安装潜水泵装置进出水流道形式复杂，出水流道有虹吸式，直管式等。进水流道有肘形，钟形等［1］。

潜水泵有水泵潜水电机同轴组成，潜水泵装置机组结构与灯泡灌流泵装置同样复杂，包括水泵导轴，电承机支撑方式等。

潜水电机与泵连成一体，装置结构紧凑。卧式潜水泵装置进出水流道顺直，水力性能好，泵站装置效率高，土建结构简单，不需润滑冷却用水，机组运行时噪音小，运行管理方便易自动控制。投资小，可节约工程投资在30％以上。

2.潜水泵装置研究现状

卧式潜水灌流泵装置具有水顺平流，流道水力损失小等优点。隔涡板与导水锥消导流方案对泵装置能量特征无较大差异，常遇扬程条件下运行不会产生危害叶形空蚀。随着我国工业制造水平的提高，目前国内制造工艺水平已满足各技术要求。

国内使用潜水泵泵站建设时间不长，在设计研究运行管理等方面缺乏经验；井筒式潜水泵装置安装方便，但对这种形式的流道水利优化设计研究较少。这种装置水力损失较大，在很大程度上限制了它的进一步推广应用。卧式水灌流泵装置效率高，对卧式灌流泵装置水利设计方面研究较少，应用相对较少。

二、技术问题

1.残余轴向力平衡

扬程增高，增加水泵产生向下轴向力。残余轴向力加速止推轴承磨损，导致转子下沉，电动力扫膛，潜水电动力无法平衡全部轴向力，影响高扬程泵使用寿命。

2.潜水电动机配套功率低

井用潜水电泵长径比大，潜水电动机配套功率受限，200QJ32450-30配套功率为74KW。适用于200MM井径潜水电泵最大配套功率为45KW。

三、技术研发成果

本项目主要研究开发扬程超过国标的产品，项目基本原理是通过选用3Cr13分块对磨石墨平板，精细设计受力情况，提高承受轴向推力能力。通过超低比转速泵型实现超高扬程。用超高推力轴承解决扬程高造成的轴向力大的问题。拟达到技术指标流量50M3/h；转速2900r/min；扬程900m.效率72%。

超高推力轴承设计开发，可大大提高目前常规产品寿命。超低比转速潜水电泵设计，通过超低比转速泵型实现超高扬程。为提高单级扬程拟设计ns≤50，井用潜水电泵比转速为60r/min以上。

1潜水泵的设计

潜水泵水利模型设计是水泵设计的核心，该水利模型突破了常规水泵设计取值，根据井用泵不受气蚀性能影响无吸程的特点适当缩小叶轮入口直径，提高叶轮进口液流速度［3］。

将叶片进口边向吸口延伸，减少入口冲击损失，使液体提前接受叶片作用。加大叶轮出口宽度b2，b2为100~260时，b2较计算值增加20%以下。

加大叶片进口安放角，选用较大正冲角，B1增家到25°~45°。减小叶片包角，使流道光滑流畅，缩短叶片长度，提高泵效率。减小摩擦阻力，合理确定倒流壳入口面积与叶轮出口面积比，使叶轮后盖板接近斜流泵形式。与倒流壳间形成最佳配合［2］。使水泵效率与单级扬程比国标定值有较大提高。

结构设计中采用大螺纹结构，减小泵轴长度，适当加大泵轴直径与导流壳壁厚，便于安装拆卸。

2.潜水电动机设计

潜水电动力电磁设计根据潜水电动机外径受限，导热良好，内腔充水等特点，定子薄壳结构，有效降低了铁芯长径比，为增加冲片外径造了条件。变换绕组接法，适当缩小定子内圆直径，降低机械损耗，提高转子表面光洁度。

耐水电磁线选用较薄的绝缘层，为降低电磁负荷，增加导线截面创造了条件。缩短定子齿压板与断环轴向尺寸，改变定子冲片与机壳定位滚压槽尺寸，利于降低电动机磁化电流，使轭部局部磁场密度保持在适宜范围内，提高功率因数。使电动机力能指标有了明显提高，提高运行可靠性，降低电动机温升。

通过机械串接与绕组电串接并用，解决高扬程泵配套功率不足问题，将两台功率相同的ＹＱＳ潜水电动机串接一起。转子以联轴器连接方式进行串接，机械将电动机定子以止口定位。电串接通过特殊方法连接绕组。克服了电动机转子长径比过大，加工制造困难，转子强度刚度不够等问题。解决了机械串接因两台电动机转速不同导致高速电动机拖动低速电动机旋转的问题，使用于200ＭＭ井径潜水电动机最大配套公率提高到74ＫＷ。

电机空转数据

结语：井用潜水泵是井下煤炭开采的重要设备之一，是节能降耗的关键设备。本文基于大型潜水泵结构及流体规律，分析了泵实际扬程与泵效率的关系。得出容积损失最小，机械功率失最大，提出减少能量损失的相应措施。目前国内对高扬程潜水泵装置设计研究处于起步阶段，有必要对新型的装置形式进行充分研究提高潜水泵的应用效能。随着潜水泵装置技术的提升，潜水泵装置必将得到更广泛的应用。

参考文献：

[1］韩卫华.大功率高扬程井用潜水变频电泵的研究[J].农业机械，2018（07）：92-94.

[2]刘毅.矿用潜水电泵智能监控系统设计[D].安徽理工大学，2012.

[3]李娟.潜水电泵的节能技术研究[D].江苏大学，2007.

作者简介：

姓名：李爱莲，性别：女，职称：副教授，专业方向：机械制造及其自动化，所属行业：教育，单位名称：山东轻工职业学院，单位邮编：255300