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深井泵研究进展
点击次数:4149 更新时间:2015-06-03
 

井泵研究进展
 一.定义

井泵是抽取地下水的主要设备,主要有潜水井泵和长轴深井泵两种产品。


1.长轴深井泵是一种立式离心泵或混流泵,具有单个或若干个旋转叶轮,从与轴同心的抽水部件排水。


 抽水部件借助导水系统悬挂固定,导水系统内装有将功率传递至叶轮的一系列立式传动轴,而原动机处于液流外面。整个机组用于从开式水池或封闭吸水系统中抽水。


2.潜水井泵是一种以立式导流壳式的泵与连续在水下运行的电机直连成一体的组合机组。

 机组借助扬水管悬吊于支撑板上,并通过潜水电缆接受电能。


 两种产品的水泵部分是基本相同的,不同之处主要是驱动动力及其与水泵部分的联结方式。显然,两者既存在相似之处,又存在差别。

 在40多年的发展中,彼此之间既相互竞争,同时又相互促进,经过市场不断淘汰和筛选,zui终形成优势互补的稳定的产品系列。


 泵壳有轴向剖分式和径向剖分式两种。大多数单级泵的壳体都是蜗壳式的,多级泵径向剖分壳体一般为环形壳体或圆形壳体。


 一般蜗壳式泵壳内腔呈螺旋型液道,用以收集从叶轮中甩出的液体,并引向扩散管至泵出口。泵壳承受全部的工作压力和液体的热负荷。

右图为250QJ125型号的结构图 。 
 

图1 QJ型井用潜水泵结构图 
1.泵体2.环形空间3.叶轮4.螺栓
 

 二. 井泵的发展历程

民国35年(1946年)陈阿金等5人合资创办洽兴抽水机修理社(现上海深井泵厂),设在建国西路339号。它是国内*家生产深井泵的工厂。当年制造出国内*台6英寸深井泵。国外井泵的发展比较早,技术上也比较完善。从1928年*台潜水井泵的发明到1961年已经全面地标准化。

近几十年来,国外的制造商主要在拓宽产品的应用领域和市场竞争力上下功夫。而我国从60年代初才刚刚起步。通过几代人的努力实现了从无到有,从落后到接近*水平的大跨步。下面仅以井泵的水力性能为主线对井泵技术的发展历程作扼要回顾。


农业灌溉和人畜饮水是至关农业发展的重要因素。能否有效地提水则关系着我国广大农田生产的成败。同农业机械化一样,我国的农田提水方式也经历了漫长的演变历程──从手工、畜力到机械化。

在我国的广大农村,人工提水zui为古老和普遍。伴随着人们对工具的不断改进,逐渐采用辘轳及水车提水。借助畜力又在前者的基础上更进了一步。资料表明59年以前大多使用手摇水车提水,但部分地区采用了几种立式活塞提水泵,动力为拖拉机或畜力,明显省力。

沈阳水泵厂于1959年对北方地区调查表明当时的提水方式主要有三种 :

1)解放式水车,畜力带动;

2)离心式水泵,较普遍的是泵放在地面上,也有安装在地下的,受井内条件影响大,时常中断工作;

3)深井泵,泵工作部分在井下,传动支承部分用扬水管与传动轴联接。其中第三种即属长轴深井泵。由于设计经验不足,该泵效率比同性能离心泵低10%以上,但从工程实用角度无疑是三者之中的,这也有力地解决了深井取水,特别是北方地区深井取水的难题。此后的发展历史大致可以总结如下:

(1)我国潜水井泵的发展大致经历了三个阶段:

1.60~70年代中后期的摸索阶段

1960年上海江宁电机厂首先试制出2.2JN潜水电泵,*。

水泵部分采取叶轮配空间导叶形式,水流从叶轮出来经过空间导叶消除环量,以减小损失。zui初的设计不是很理想,效率仅为35%。

1965年上海水泵厂进一步试制出2.2Kw的系列化产品,效率达到57.5~75.5%,已接近*效率指标。从水力设计资料看叶轮和导叶的流道面积变化均匀,说明当时已较好地掌握了水力设计方法。JN型主要针对河湖、沟渠、土井浅水作业,严格来讲,早期的JN泵不属井泵系列。但其发展经验,尤其是早期叶轮与导流壳的水力设计经验是弥足珍贵的。

JN型经过3次较大变革成功发展成QY型作业面泵。而北方深井提水也迫切需要相应的产品。65年前后国内已经开始研制,由于历史的原因,国家于70年左右才开始着手组织北方地区研究、设计、试验NQ型农用潜水电泵的工作。

1972年1月北方八省(市)对NQ系列潜水电泵的设计、系列化进行了总结;同年3月于石家庄水泵厂对四种口径九个品种NQ系列潜水电泵制定了统一的定型方案。此后各地如雨后春笋般相继开发出各种型号NQ型潜水电泵。NQ型的水泵部分由进水节、叶轮、导流壳和逆止阀等组成,结构整齐,布置合理。这样便于厂家形成多品种、系列化产品,很好地满足了农业生产需要。从资料看当时普遍采用一般离心泵叶轮配上空间导叶作为泵体部分。这种生搬硬套既不符合井泵特殊的结构要求和工况,也不符合井泵内部流动原理,造成能量损耗较大,往往达不到预期的指标,效率普遍较低,当时的设计者也注意到了。


 2.70年代中后期~80年代大规模生产和全面研究阶段

由于结构上深井潜水泵受井径限制,而且工作部分深入水下,工况不同于一般离心泵,有必要从流动原理着手,系统加以研究。

由于历史原因,一直到70年代中后期,针对性的水力模型研究都迟迟没有开展。1977年,中国农机院开始了部分离心式潜水泵水力模型的研究,揭开了井用潜水泵全面深入研究的序幕,通过研究效率普遍提高3~6%。研究从设计、模型、铸造及加工各环节详细作了试验、分析和探讨,达到了深入的理论和经验积累。

随后80年代初中国农机院又掀起了深入研究井用潜水泵的高潮,针对叶轮和导叶水力设计理论进行了深入的探讨,取得了丰硕的成果。

在这些成果的基础上,促成80年代NQ型井泵的大规模系列化生产。这一时期全国各地潜水泵厂如雨后春笋般迅速发展起来,并且相继开发出各自的系列,达到潜水井泵生产的高峰期。

从资料看这一时期比较成熟的设计之一是模仿普通立式多级离心泵,采用正反导叶,叶轮采用水力模型,导叶设计采用等速度矩原理。另一种采用空间导叶,叶轮采用水力模型,考虑叶轮与空间导叶的相互作用,把两者作为一个整体来设计。这些设计思想在当时的产品中得到很好得贯彻和体现。

这一时期一些厂家还引进国外厂品进行仿制和改进,如沈阳水泵厂引进西德Ritz公司的66系列潜水泵,并加以改进,效果比国外80年代初的产品略有提高,虽然还追不上同时期国外的技术水平,但80年代蓬勃的发展说明我国在井泵的设计水平上较六、七十年代已有了总体的提高。

80年代中后期NQ型泵逐渐退出历史舞台,为QJ系列取代。后者在结构和性能方面都有所优化和提升,QJ这一型号也一直沿用至今。


 3.90年代以来发展趋缓

在中国农机院80年代初掀起的研究高潮过后,井泵的研究基本处于停滞状态,也不难理解,十余年的生产经验表明井泵性能基本维持在原来的基础上,也就是说原有的水力模型是比较的,那么对于井泵这种量大面广的产品,厂家更关注如何节约成本,而不是水力设计方法的研究。

大规模系统化的模型研究已不可能,比较普遍的是厂家对产品略微改进,或者通过引进国外次产品加以仿制和吸收。但另一方面,理论研究工作仍然在继续。较有共识之一,在大比速时,叶轮向后倾斜,再配上空间导叶,这种设计比采用普通离心叶轮(不向后倾斜)的性能要高,并且在形式上不断变化中。其二,在小比速时,采用叶轮,配上正反导叶,当时的产品都明显地反映了这两种典型形式。

 

2)我国长轴深井泵的发展

从资料看59年以前就已经采用深井泵了,只是结构复杂、价格高,因此没有得到很好的发展。

1965年中国农业机械化科学研究院联合多家泵厂对J型机井泵和TJ型土井泵进行了设计和试制,两者水泵部分的结构基本相同,水流经叶轮后通过导流壳消除环量从而提高水力性能。从实测结果看,效率较高,结构紧凑,运行可靠。这对解决北方地区提取地下水,发展农业生产有着重要意义。

此后各地厂家纷纷试制出各自特色的产品,总体上呈现品种多而不全、型号繁杂、尺寸不一、性能落后等状况。

这一状况一直维持到80年代初,而后随着一机部“三化"工作的开展,逐步有了统一的标准。J型就是典型的长轴深井泵,后来发展成JD开式叶轮型,后又演变为JC闭式叶轮型。另一方面,值得一提的是小流量长轴深井泵的研究有重大的进展,1983年河北研制出小流量JC深井泵,效率超过标准6~7%,达到水平,*。

此后又开发出一系列产品,不仅深受用户欢迎,重要的是在叶轮和导流壳的水力设计理论上也取得了重要的经验。相比之下,其他大多数型号的水力性能偏低,这与长期以来缺乏研究的惯性有关,也同厂家片面追求低廉化产品的观念有关。


叶轮是惟一的作功部件,泵通过叶轮对液体作功。叶轮型式有闭式、开式、半开式三种。闭式叶轮由叶片、前盖板、后盖板组成。半开式叶轮由叶片和后盖板组成。开式叶轮只有叶片,无前后盖板。闭式叶轮效率较高,开式叶轮效率较低。

 三. 国内外现状和发展趋势

当前国外井泵厂家主要有美国的飞力公司(Flygt)、ITT旗下的Goulds分部、瑞典的格兰富、德国的KSB等,从引进的产品看,无论在水力性能以及加工工艺和材料耐用性方面都是非常先进的。


我国井泵技术水平还落后于国外,除了经济上的客观原因之外,还有水泵技术人员的主观原因。

一是很多设计人员把井泵当作一般的多级离心泵,往往参照各种离心泵的模型而不是井泵的模型来设计叶轮(也因为井泵的模型很难找到),结果这些的离心泵水力模型用在井泵上,单级扬程和水泵效率都降低了许多;

二是很多设计人员认为我国的水泵设计技术不比国外差,把水泵产品的落后仅仅归咎于材料技术和制造工艺技术落后,不愿意进行水力设计方法的改革,井泵的设计技术自然难提高了。


但是,开放的水泵市场让我们看到了真实的差距,中国广阔的市场和较低的劳动力成本让*的水泵商家把生产基地放到了中国,与此同时也是提高我国井泵设计技术的好时机,并且也是刻不容缓了。


目前在高比速段,延续了向后倾斜并配上空间导叶的型式,只是向后倾斜较大,形状上类似混流泵叶轮,整体上呈S形,低比速段仍然采用叶轮和正反导叶型式,没有本质的变化。


于S型,水力性能相当好,改进的余地很小。而正反导叶型式效率起伏不定,时好时坏,仍然有较大挖掘潜力,正是基于此,去年,我们流体中心与福建银嘉机电公司合作研制成功4英寸井泵,我们延伸前盖板顶到泵壁,减小后盖板,取消正导叶,换导流壳为进口扭曲的空间径向导叶。在国家标准的基础上把井泵的单级扬程提高了50%,水泵效率提高了8个百分点。在探索井泵新设计方法的同时,大大缩减了泵体长度,降低了成本,为物美价廉的井泵开辟了道路,


为了达到物美价廉的目标,新型井泵尤其是级数超过3级的高扬程井泵,今后的发展趋势将是单级扬程大大提高,泵体的轴向高度大为降低。当然这个发展趋势只有在井泵的效率和可靠性进一步提高的前提下才有意义。

国家标准《井用潜水泵》(GB/T2816-2002)在制定基本参数时,取消了旧标准《井用潜水泵型式和基本参数》(GB/T2816-91)中对单级扬程的规定是顺应这个发展趋势的。


图1和图2是250QJ125的两种设计示意图,图1代表了国内目前的水平,其单级扬程大约在20米左右,其单级轴向高度约160毫米,如果做一台100米扬程的井泵就需要5级叶轮和泵体,加上进水节和出水阀,泵体总长将超过1米。

图2代表了今后的发展趋势,其单级扬程大约在35米左右,其单级轴向高度只有85毫米,如果做一台100米扬程的井泵只需要3级叶轮和泵体,加上进水节和出水阀,泵体总长不到0.6米。而且其水泵效率与可靠性都会有所提高。

下表是我们要设计的井用潜水泵与国内外同类井泵的技术参数比较:


产品型号

国家标准井泵

新型井泵

格兰富井泵

佩德罗井泵

150QJ20-65/10

150QJ20-65/5

SP17-10

SP30-7

6SR18/6

流量Q(m3/h)

20

20

20

20

20

水泵扬程H (m)

65

65

64

66.5

66

单级扬程Hi (m)

6.5

13

6.4

9.5

11

转速n (r/min)

2850

2850

2875

2875

2900

比转数

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

泵轴功率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

超载风险

泵体外径(mm)

127

127

131

131

151

新型井泵要比现有的井用潜水泵成本低、效率高。从新、老井泵对比图可以明显看出,新型井泵比老式井泵要短得多,可节约原材料2/3,降低了生产成本。

 四. 结束语


我国有着广阔的幅员,尤其北方平原地区,农田提水和人畜饮水迫切需要性能稳定而价廉物美的井泵,而且随着城市生活水平的提高,需要完善的供水系统,这些都意味着井泵发展有着广阔前景。随着技术不断进步,井泵行业也面临着挑战,同时存在巨大商机,只要锐意进取,一定能迎来井泵发展的又一个高潮。

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新老井泵对比图

 

 

图2 新型SJB型井用潜水泵结构图


1.拉杆2.泵体3.环形空间4.叶轮

 
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