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深井泵研究進展
點擊次數:3726 發布時間:2015-06-03
 

井泵研究進展
 一.定義

井泵是抽取地下水的主要設備,主要有潛水井泵和長軸深井泵兩種產品。


1.長軸深井泵是一種立式離心泵或混流泵,具有單個或若干個旋轉葉輪,從與軸同心的抽水部件排水。


 抽水部件借助導水系統懸掛固定,導水系統內裝有將功率傳遞至葉輪的一系列立式傳動軸,而原動機處于液流外面。整個機組用于從開式水池或封閉吸水系統中抽水。


2.潛水井泵是一種以立式導流殼式的泵與連續在水下運行的電機直連成一體的組合機組。

 機組借助揚水管懸吊于支撐板上,并通過潛水電纜接受電能。


 兩種產品的水泵部分是基本相同的,不同之處主要是驅動動力及其與水泵部分的聯結方式。顯然,兩者既存在相似之處,又存在差別。

 在40多年的發展中,彼此之間既相互競爭,同時又相互促進,經過市場不斷淘汰和篩選,zui終形成優勢互補的穩定的產品系列。


 泵殼有軸向剖分式和徑向剖分式兩種。大多數單級泵的殼體都是蝸殼式的,多級泵徑向剖分殼體一般為環形殼體或圓形殼體。


 一般蝸殼式泵殼內腔呈螺旋型液道,用以收集從葉輪中甩出的液體,并引向擴散管至泵出口。泵殼承受全部的工作壓力和液體的熱負荷。

右圖為250QJ125型號的結構圖 。 
 

圖1 QJ型井用潛水泵結構圖 
1.泵體2.環形空間3.葉輪4.螺栓
 

 二. 井泵的發展歷程

民國35年(1946年)陳阿金等5人合資創辦洽興抽水機修理社(現上海深井泵廠),設在建國西路339號。它是國內*家生產深井泵的工廠。當年制造出國內*臺6英寸深井泵。國外井泵的發展比較早,技術上也比較完善。從1928年*臺潛水井泵的發明到1961年已經全面地標準化。

近幾十年來,國外的制造商主要在拓寬產品的應用領域和市場競爭力上下功夫。而我國從60年代初才剛剛起步。通過幾代人的努力實現了從無到有,從落后到接近*水平的大跨步。下面僅以井泵的水力性能為主線對井泵技術的發展歷程作扼要回顧。


農業灌溉和人畜飲水是至關農業發展的重要因素。能否有效地提水則關系著我國廣大農田生產的成敗。同農業機械化一樣,我國的農田提水方式也經歷了漫長的演變歷程──從手工、畜力到機械化。

在我國的廣大農村,人工提水zui為古老和普遍。伴隨著人們對工具的不斷改進,逐漸采用轆轤及水車提水。借助畜力又在前者的基礎上更進了一步。資料表明59年以前大多使用手搖水車提水,但部分地區采用了幾種立式活塞提水泵,動力為拖拉機或畜力,明顯省力。

沈陽水泵廠于1959年對北方地區調查表明當時的提水方式主要有三種 :

1)解放式水車,畜力帶動;

2)離心式水泵,較普遍的是泵放在地面上,也有安裝在地下的,受井內條件影響大,時常中斷工作;

3)深井泵,泵工作部分在井下,傳動支承部分用揚水管與傳動軸聯接。其中第三種即屬長軸深井泵。由于設計經驗不足,該泵效率比同性能離心泵低10%以上,但從工程實用角度無疑是三者之中的,這也有力地解決了深井取水,特別是北方地區深井取水的難題。此后的發展歷史大致可以總結如下:

(1)我國潛水井泵的發展大致經歷了三個階段:

1.60~70年代中后期的摸索階段

1960年上海江寧電機廠首先試制出2.2JN潛水電泵,*。

水泵部分采取葉輪配空間導葉形式,水流從葉輪出來經過空間導葉消除環量,以減小損失。zui初的設計不是很理想,效率僅為35%。

1965年上海水泵廠進一步試制出2.2Kw的系列化產品,效率達到57.5~75.5%,已接近*效率指標。從水力設計資料看葉輪和導葉的流道面積變化均勻,說明當時已較好地掌握了水力設計方法。JN型主要針對河湖、溝渠、土井淺水作業,嚴格來講,早期的JN泵不屬井泵系列。但其發展經驗,尤其是早期葉輪與導流殼的水力設計經驗是彌足珍貴的。

JN型經過3次較大變革成功發展成QY型作業面泵。而北方深井提水也迫切需要相應的產品。65年前后國內已經開始研制,由于歷史的原因,國家于70年左右才開始著手組織北方地區研究、設計、試驗NQ型農用潛水電泵的工作。

1972年1月北方八?。ㄊ校Q系列潛水電泵的設計、系列化進行了總結;同年3月于石家莊水泵廠對四種口徑九個品種NQ系列潛水電泵制定了統一的定型方案。此后各地如雨后春筍般相繼開發出各種型號NQ型潛水電泵。NQ型的水泵部分由進水節、葉輪、導流殼和逆止閥等組成,結構整齊,布置合理。這樣便于廠家形成多品種、系列化產品,很好地滿足了農業生產需要。從資料看當時普遍采用一般離心泵葉輪配上空間導葉作為泵體部分。這種生搬硬套既不符合井泵特殊的結構要求和工況,也不符合井泵內部流動原理,造成能量損耗較大,往往達不到預期的指標,效率普遍較低,當時的設計者也注意到了。


 2.70年代中后期~80年代大規模生產和全面研究階段

由于結構上深井潛水泵受井徑限制,而且工作部分深入水下,工況不同于一般離心泵,有必要從流動原理著手,系統加以研究。

由于歷史原因,一直到70年代中后期,針對性的水力模型研究都遲遲沒有開展。1977年,中國農機院開始了部分離心式潛水泵水力模型的研究,揭開了井用潛水泵全面深入研究的序幕,通過研究效率普遍提高3~6%。研究從設計、模型、鑄造及加工各環節詳細作了試驗、分析和探討,達到了深入的理論和經驗積累。

隨后80年代初中國農機院又掀起了深入研究井用潛水泵的高潮,針對葉輪和導葉水力設計理論進行了深入的探討,取得了豐碩的成果。

在這些成果的基礎上,促成80年代NQ型井泵的大規模系列化生產。這一時期全國各地潛水泵廠如雨后春筍般迅速發展起來,并且相繼開發出各自的系列,達到潛水井泵生產的高峰期。

從資料看這一時期比較成熟的設計之一是模仿普通立式多級離心泵,采用正反導葉,葉輪采用水力模型,導葉設計采用等速度矩原理。另一種采用空間導葉,葉輪采用水力模型,考慮葉輪與空間導葉的相互作用,把兩者作為一個整體來設計。這些設計思想在當時的產品中得到很好得貫徹和體現。

這一時期一些廠家還引進國外廠品進行仿制和改進,如沈陽水泵廠引進西德Ritz公司的66系列潛水泵,并加以改進,效果比國外80年代初的產品略有提高,雖然還追不上同時期國外的技術水平,但80年代蓬勃的發展說明我國在井泵的設計水平上較六、七十年代已有了總體的提高。

80年代中后期NQ型泵逐漸退出歷史舞臺,為QJ系列取代。后者在結構和性能方面都有所優化和提升,QJ這一型號也一直沿用至今。


 3.90年代以來發展趨緩

在中國農機院80年代初掀起的研究高潮過后,井泵的研究基本處于停滯狀態,也不難理解,十余年的生產經驗表明井泵性能基本維持在原來的基礎上,也就是說原有的水力模型是比較的,那么對于井泵這種量大面廣的產品,廠家更關注如何節約成本,而不是水力設計方法的研究。

大規模系統化的模型研究已不可能,比較普遍的是廠家對產品略微改進,或者通過引進國外次產品加以仿制和吸收。但另一方面,理論研究工作仍然在繼續。較有共識之一,在大比速時,葉輪向后傾斜,再配上空間導葉,這種設計比采用普通離心葉輪(不向后傾斜)的性能要高,并且在形式上不斷變化中。其二,在小比速時,采用葉輪,配上正反導葉,當時的產品都明顯地反映了這兩種典型形式。

 

2)我國長軸深井泵的發展

從資料看59年以前就已經采用深井泵了,只是結構復雜、價格高,因此沒有得到很好的發展。

1965年中國農業機械化科學研究院聯合多家泵廠對J型機井泵和TJ型土井泵進行了設計和試制,兩者水泵部分的結構基本相同,水流經葉輪后通過導流殼消除環量從而提高水力性能。從實測結果看,效率較高,結構緊湊,運行可靠。這對解決北方地區提取地下水,發展農業生產有著重要意義。

此后各地廠家紛紛試制出各自特色的產品,總體上呈現品種多而不全、型號繁雜、尺寸不一、性能落后等狀況。

這一狀況一直維持到80年代初,而后隨著一機部“三化"工作的開展,逐步有了統一的標準。J型就是典型的長軸深井泵,后來發展成JD開式葉輪型,后又演變為JC閉式葉輪型。另一方面,值得一提的是小流量長軸深井泵的研究有重大的進展,1983年河北研制出小流量JC深井泵,效率超過標準6~7%,達到水平,*。

此后又開發出一系列產品,不僅深受用戶歡迎,重要的是在葉輪和導流殼的水力設計理論上也取得了重要的經驗。相比之下,其他大多數型號的水力性能偏低,這與長期以來缺乏研究的慣性有關,也同廠家片面追求低廉化產品的觀念有關。


葉輪是惟一的作功部件,泵通過葉輪對液體作功。葉輪型式有閉式、開式、半開式三種。閉式葉輪由葉片、前蓋板、后蓋板組成。半開式葉輪由葉片和后蓋板組成。開式葉輪只有葉片,無前后蓋板。閉式葉輪效率較高,開式葉輪效率較低。

 三. 國內外現狀和發展趨勢

當前國外井泵廠家主要有美國的飛力公司(Flygt)、ITT旗下的Goulds分部、瑞典的格蘭富、德國的KSB等,從引進的產品看,無論在水力性能以及加工工藝和材料耐用性方面都是非常先進的。


我國井泵技術水平還落后于國外,除了經濟上的客觀原因之外,還有水泵技術人員的主觀原因。

一是很多設計人員把井泵當作一般的多級離心泵,往往參照各種離心泵的模型而不是井泵的模型來設計葉輪(也因為井泵的模型很難找到),結果這些的離心泵水力模型用在井泵上,單級揚程和水泵效率都降低了許多;

二是很多設計人員認為我國的水泵設計技術不比國外差,把水泵產品的落后僅僅歸咎于材料技術和制造工藝技術落后,不愿意進行水力設計方法的改革,井泵的設計技術自然難提高了。


但是,開放的水泵市場讓我們看到了真實的差距,中國廣闊的市場和較低的勞動力成本讓*的水泵商家把生產基地放到了中國,與此同時也是提高我國井泵設計技術的好時機,并且也是刻不容緩了。


目前在高比速段,延續了向后傾斜并配上空間導葉的型式,只是向后傾斜較大,形狀上類似混流泵葉輪,整體上呈S形,低比速段仍然采用葉輪和正反導葉型式,沒有本質的變化。


于S型,水力性能相當好,改進的余地很小。而正反導葉型式效率起伏不定,時好時壞,仍然有較大挖掘潛力,正是基于此,去年,我們流體中心與福建銀嘉機電公司合作研制成功4英寸井泵,我們延伸前蓋板頂到泵壁,減小后蓋板,取消正導葉,換導流殼為進口扭曲的空間徑向導葉。在國家標準的基礎上把井泵的單級揚程提高了50%,水泵效率提高了8個百分點。在探索井泵新設計方法的同時,大大縮減了泵體長度,降低了成本,為物美價廉的井泵開辟了道路,


為了達到物美價廉的目標,新型井泵尤其是級數超過3級的高揚程井泵,今后的發展趨勢將是單級揚程大大提高,泵體的軸向高度大為降低。當然這個發展趨勢只有在井泵的效率和可靠性進一步提高的前提下才有意義。

國家標準《井用潛水泵》(GB/T2816-2002)在制定基本參數時,取消了舊標準《井用潛水泵型式和基本參數》(GB/T2816-91)中對單級揚程的規定是順應這個發展趨勢的。


圖1和圖2是250QJ125的兩種設計示意圖,圖1代表了國內目前的水平,其單級揚程大約在20米左右,其單級軸向高度約160毫米,如果做一臺100米揚程的井泵就需要5級葉輪和泵體,加上進水節和出水閥,泵體總長將超過1米。

圖2代表了今后的發展趨勢,其單級揚程大約在35米左右,其單級軸向高度只有85毫米,如果做一臺100米揚程的井泵只需要3級葉輪和泵體,加上進水節和出水閥,泵體總長不到0.6米。而且其水泵效率與可靠性都會有所提高。

下表是我們要設計的井用潛水泵與國內外同類井泵的技術參數比較:


產品型號

國家標準井泵

新型井泵

格蘭富井泵

佩德羅井泵

150QJ20-65/10

150QJ20-65/5

SP17-10

SP30-7

6SR18/6

流量Q(m3/h)

20

20

20

20

20

水泵揚程H (m)

65

65

64

66.5

66

單級揚程Hi (m)

6.5

13

6.4

9.5

11

轉速n (r/min)

2850

2850

2875

2875

2900

比轉數

190.47

113.25

194.38

144.54

130.62

水泵效率ηp

0.64

0.69

0.68

0.69

0.66

泵軸功率P2(kw)

5.53

5.13

5.13

5.25

5.45

配套功率Pe(kw)

7.5

6

5.5

7.5

7.5

功率配比

1.36

1.17

1.07

1.43

1.38

超載風險

泵體外徑(mm)

127

127

131

131

151

新型井泵要比現有的井用潛水泵成本低、效率高。從新、老井泵對比圖可以明顯看出,新型井泵比老式井泵要短得多,可節約原材料2/3,降低了生產成本。

 四. 結束語


我國有著廣闊的幅員,尤其北方平原地區,農田提水和人畜飲水迫切需要性能穩定而價廉物美的井泵,而且隨著城市生活水平的提高,需要完善的供水系統,這些都意味著井泵發展有著廣闊前景。隨著技術不斷進步,井泵行業也面臨著挑戰,同時存在巨大商機,只要銳意進取,一定能迎來井泵發展的又一個高潮。

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新老井泵對比圖

 

 

圖2 新型SJB型井用潛水泵結構圖


1.拉桿2.泵體3.環形空間4.葉輪

 
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