下吸式井用潜水电泵的设计研制

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  1研究背景山西是全国的能源重化工基地,由于地下煤层开采使得地下浅层受到破坏,全省每年有2亿m3的地下水被渗漏和污染,只能开采深层水,以解决矿区和居民用水的急需。因此,井用潜水电泵应用广泛,潜水电泵生产企业颇多。全省30余家生产企业每年生产约12万台各种规格的潜水电泵。

  井用潜水电泵主要用于抽送清水,实际上由于地质构造的原因,往往有水的地方就有沙子。在含沙量大于0.01°%的水井中使用时,影响电机散热,易导致电机烧毁,增加了农民种粮成本。因为井中泥沙淤积,井越打越深,泵越下越深,不利于有计划地开发利用水资源,影响了生态环境。

  为了从根本上解决以上这些问题,由山西省农业机械化科学研究院与山西安吉制泵有限公司合作,在充分分析和研究国际、国内下吸式井用潜水电泵机制造生产方式、技术条件的基础上,本着立足科研、开拓市场的原则,研究开发了下吸式井用潜水电泵。一方面水从潜水电泵底部进入,可将电机周围泥沙带走,彻底解决井底泥沙淤积的问题;另一方面通过改善密封结构与密封环的材质,提高密封环及过流部位的耐磨性,提高潜水电泵的防沙性能,延长机组的使用寿命。此技术在国内水泵行业中未出现完全相同的技术。因此下吸式井用潜水电泵的研制满足了国内需求。

  2技术路线和研制目标2.1技术路线技术路线:国内下吸井用泵及国外引进相关成熟基础部件一根据国内下吸泵机组的技术及工艺要求一组成配套一研制具有新型结构的下吸式井用潜水电泵设备。

  2.2研制目标研制目标:开发种下吸式井用潜水电泵,其各项性能指标在达到国标GB2816―2002和GB2818―2002要求的前提下,以一种新的结构方式,拓宽井用潜水电泵的使用范围,提高潜水电泵机组使用可靠性,使抽送介质的含沙量由原来的0.01%提高到0.1%,且可以抽走电机底部的介质,解决了矿区和居民生活用水的急需,减少了洗井的次数,避免了打深井、配大泵的浪费,减轻了农民的种粮成本,有利于有计划地开发利用水资源,保护了生态环境。

  3总体设计下吸式井用潜水电泵是由潜水电机与潜水电泵组成。其工作原理:潜水电机通过轴带动叶轮旋转,液体从底部的单级潜水电泵的进水节进入,通过水套(具有冷却电机的作用)进入电机上面的水泵进水节,再经过电机上端的潜水电泵排出进入管路内。

  3.1潜水电机的设计为适应市场的需求,我们着重研究下吸式潜水电泵,分析现有下吸式潜水泵扬程低、寿命短的原因。我们发现随着下吸式潜水电泵扬程的提高,水泵的故障率也在提高,主要原因在于随着下吸式潜水电泵扬程的提高,机械密封承受的压力增大,二者成正比关系。高压容易使机械密封的摩擦副变形及碎裂,从而使机械密封失效。为了从根本上解决潜水电机的密封问题,我们大胆尝试,将水泵分为上下两部分,电机上面连接通用成熟的Q系列井用潜水泵,电机下面装1套单级水泵,机械密封只承受单级水泵的压力,不因为机组扬程的提高而改变,保证了电机在低压的水中运行,降低电机内外的压差,为电机的密封创造了有利条件。经过试验,发现密封效果很好,为下吸式潜水电泵往高扬程开发奠定了基础,结构上采用电机内装式,即电机外面装有水套。

  3.2潜水电泵的设计学术交流种流量规格的水泵,单级扬程均为13m结构上采用径向导灌水电机的设计。1.电机轴2.转子部件3.定子部件4.水奕5.推力盘6.止推轴承叶式。电机下端装有同流量规格的单级水泵,可形成27种不同规格的下吸式井用潜水电泵,最高扬程可达202m,机组的径向最大尺寸223mm可用于250mm的井径。

  潜水电泵的设计1.出水口2.下泵壳3.泵壳4.导叶5.叶轮6.进水节7.下呤水节8.下导叶9.下叶轮4主要零部件结构设计4.1潜水电机的研究与设计电机电磁设计采用成熟的200YQS型井用潜水电机参数,包括422kW共9种规格的潜水电机。结构上采用电机内装式,即电机外面装有水套。电机底部的水通过水套进入电机上面的水泵进水节,并且有冷却电机的作用。按防沙要求的设计,抽送介质不得进入电机腔,对轴上下两伸出端,分别装有机械密封装置,保证潜水电机在水中可靠运行。潜水电机的推力盘和止推轴承要求具有耐磨、耐热、耐腐,光洁度高,还要有一定的自动调心能力。因此,推力盘和止推轴承形成一对摩擦副,在高压力下以2850r/min的转速长期运转,承受由水泵传递来的轴向力。

  4.2潜水电泵的研究与设计电机上端装有分别为12.5m3/h、15m3/h和32m3/h这3种流量规格的水泵,单级扬程均为13m结构上采用径向导叶式。径向导叶的流道由正导叶、环形空间、反导叶组成。电机下端装有1套单级水泵,可以彻底解决普通井用潜水电机被淤沙淹没,导致电机因散热不良而烧毁的难题。采用种新型的结构,将水泵分为上下两部分,电机上面连接通用成熟的Q系列井用潜水泵,电机下面装1套单级水泵,机械密封只承受单级水泵的压力,不因为机组扬程的提高,使机械密封的摩擦副变形及碎裂,保证了电机在低压的水中运行。降低电机内外的压差,为电机的密封创造了有利条件。通过改进材质,啧涂过流部位,提高水泵的通过性能和抗腐耐磨性。水泵的性能影响到能耗的大小,要反复试验改进,提高水泵的性能指标。

  5试验情况和应用情况1试验情况试验前,检查电泵的装配质量、试验装置及试验设备。

  用兆欧表测量所有绕组对机壳的冷态电阻,测量后应将绕组对地放电。按照试验项目进行测量,测量数据应在同一时刻读取,实验数据达到了设计要求。在试验中,由于试验条件的局限性,给试验带来了不少困难,也考核了样机在一定条件下的工作情况,获得了许多宝贵的经验和启发。

  5.2应用情况为了考核样机的使用可靠性、经济性,调整保养的方便性,主要件和易损件耐用性及安全性,2007年我们对样机进行了严格的生产考核。样机在山西省太原市小店区薛店村及运行了2年多,正常运转3600h以上。此机组主要用于含沙量较大的井中,至今己运行了3000h以上,彻底解决了人畜吃水问题,而且还满足了村办企业的生产用水。我们又进行了测试实验,测验的结果满足了设计要求。

  5.3试验分析下吸式井用潜水电泵该机组在整个试验和生产考核中,各种技术性能基本达到了设计时的技术要求。并经山西省水泵产品质量监督检验站检验,依据Q/140727A001-2008下吸式井用潜水电泵标准和水泵产品委托检验评定规则对XQ115―140/10―15式下吸式井用潜水电泵的流量、扬程、效率等14项次进行检验,其质量指标符合合格品的要求,所检样品合格。同时也符合技术任务书中的规定。6技术性能对比分析从相关资料及信息、市场表明,现有下吸式潜水电泵均为下泵式结构,水泵在电机的下面(山东德源泵业有限公司生产的型号为WXS30型潜水下吸泵,山西天泽泵业有限公司生产的型号为WQY30型,最高扬程为120m,价格较高,寿命短,保修期为3个月,运行成本比较高,主要针对工程使用。井用潜水电泵的保修期为1年,运行成本低,但对水质要求高。

  目前,国内外潜水电泵的发展走向市场化、专业化。过去检验、验收主要看重流量、扬程、效率等性能指标,经常3200kW发电机滑环烧蚀故障的分析及处理□钟秋娟障的原因进行了详细的分析,并提出了预防及处理方法。

  汤河电厂现有机组2台,大机组容量为3200kW,为季节性发电。由于近几年水库直处于丰水期,为了合理利用水资源,电厂大机组近几年几乎每年都进行放水发电。尽管电厂每年春天坚持做好大机组的检修工作,进行碳刷检查、更换,但在大机组每年的发电运行过程中,都会不同程度地出现碳刷烧蚀现象,影响机组的正常运行。

  发电机滑环冒火是机组在运行中经常会出现的现象,但严重时会造成碳刷严重磨损,烧蚀滑环,整流子表面也会产生沟痕,直接导致停机,影响发电机的安全运行。为此,在机组正常运行过程中造成机组无功,不敢多带。大机组在每年运行过程中都会不同程度的出现因碳刷烧蚀造成机组停机的现象。若电厂大机组在运行过程中,由于碳刷烧蚀造成机组停机,那么无形中会影响机组的效益。

  1发电机滑环烧蚀故障的原因分析根据电厂目前的维修情况,只能靠加强设备的巡视力度,做到碳刷的及时处理、及时更换,确保机组在运行的情况下进行更换。

  1.1碳刷型号选择不正确若碳刷的主要参数与实际工作要求相差较大,使碳刷的表1国内同类产品主要技术性能指标对照型流量m3/h323030扬程m776045配套功率kW13119.2额定电流A292420注:XQ32型水泵由山西省农业机械化科学研究院研制生产为了提高1%的效率下很大功夫,实际上用泵时有很多时候偏离额定工况,偏离高效点。因此,现己转向注重使用寿命、适应范围等综合性能指标,逐渐与市场接轨。

  7经济效益与社会效益分析井用潜水电泵主要用于抽送清水,其使用条件是水中的含沙量小于0.01%.这是由于现有的井用潜水电泵结构是水泵中吸式,即电机在水泵入水口的下部,在出沙的水井中使用时,方面磨损大,另一方面沉沙可淹没电机,影响电机散热,导致烧毁电机。实际上,由于地质构造的原因,往往有水的地方就有沙子。山西省水浇地70%靠潜水电泵灌溉,平均动水位在50~100m,含沙量均超出0.01%,水泵的使用寿命也随着水中含沙量的多少而不同,在含沙量小的水井中27.4潜水电泵的寿命可达5~10年,而在含沙量大的井中有的只能用几个月。同时,因为井中泥沙淤积,提泵以后再次下泵时下不到原有的深度,只好洗井。为了减少洗井次数,往往在打井时就打得深一些,第1次下泵时就下得深一些。80m深的动水位打180m的井,下130m的泵成为一种非常普遍的现象而且愈演愈烈,井越打越深,泵越下越深,形成恶性循环,加速了地下水位下降,不利于有计划地开发利用水资源,影响了生态环境。在水浇地地区,这种打深井、配大泵,明显增加了农民种粮成本,对收益微薄的种粮户无疑是雪上加霜。而下吸式井用潜水电泵从根本上解决了这些难题,为农民带来了定的经济效益。

  给工厂带来的经济效益与社会效益,以年生产10 000台下吸式潜水电泵,价格按2500元/台计,年可创产值2 500万元,以10%利润率计,可实现利润250万元。使用下吸式潜水电泵后不需洗井,如果平均每眼井3年洗井1次,以洗井费用5000元/次,3万口井计,平均每年可节省洗井费用5000万元。这样,减少了提水成本,减轻了农民的种粮成本,降低打井深度,保护水资源环境,对合理开发利用水资源产生重要的作用,具有显著的社会效益和经济效益。