深井泵研究進展
時間：2013/1/3 來源：浙江揚子江泵業(yè)有限公司
井泵研究進展
一.定義
井泵是抽取地下水的主要設(shè)備，主要有潛水井泵和長軸深井泵兩種產(chǎn)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(zhuǎn)葉輪，從與軸同心的抽水部件排水。
抽水部件借助導(dǎo)水系統(tǒng)懸掛固定，導(dǎo)水系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)中抽水。
2．潛水井泵是一種以立式導(dǎo)流殼式的泵與連續(xù)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(chǎn)品的水泵部分是基本相同的，不同之處主要是驅(qū)動動力及其與水泵部分的聯(lián)結(jié)方式。顯然，兩者既存在相似之處，又存在差別。
在40多年的發(fā)展中，彼此之間既相互競爭，同時又相互促進，經(jīng)過市場不斷淘汰和篩選，終形成優(yōu)勢互補的穩(wěn)定的產(chǎn)品系列。
泵殼有軸向剖分式和徑向剖分式兩種。大多數(shù)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(huán)形殼體或圓形殼體。
一般蝸殼式泵殼內(nèi)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(jié)構(gòu)圖 。
圖1 QJ型井用潛水泵結(jié)構(gòu)圖
1.泵體2.環(huán)形空間3.葉輪4.螺栓
二. 井泵的發(fā)展歷程
民國35年(1946年)陳阿金等5人合資創(chuàng)辦洽興抽水機修理社(現(xiàn)上海深井泵廠),設(shè)在建國西路339號。它是國內(nèi)第一家生產(chǎn)深井泵的工廠。當(dāng)年制造出國內(nèi)第一臺6英寸深井泵。國外井泵的發(fā)展比較早，技術(shù)上也比較完善。從1928年第一臺潛水井泵的發(fā)明到1961年已經(jīng)全面地標(biāo)準(zhǔn)化。
近幾十年來，國外的制造商主要在拓寬產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)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(xiàn)了從無到有，從落后到接近國外先進水平的大跨步。下面僅以井泵的水力性能為主線對井泵技術(shù)的發(fā)展歷程作扼要回顧。
農(nóng)業(yè)灌溉和人畜飲水是至關(guān)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。能否有效地提水則關(guān)系著我國廣大農(nóng)田生產(chǎn)的成敗。同農(nóng)業(yè)機械化一樣，我國的農(nóng)田提水方式也經(jīng)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(nóng)村，人工提水為古老和普遍。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(chǔ)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(qū)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(qū)調(diào)查表明當(dāng)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(nèi)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(lián)接。其中第三種即屬長軸深井泵。由于設(shè)計經(jīng)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好的，這也有力地解決了深井取水，特別是北方地區(qū)深井取水的難題。此后的發(fā)展歷史大致可以總結(jié)如下：
（1）我國潛水井泵的發(fā)展大致經(jīng)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，填補了國內(nèi)空白。
水泵部分采取葉輪配空間導(dǎo)葉形式，水流從葉輪出來經(jīng)過空間導(dǎo)葉消除環(huán)量，以減小損失。初的設(shè)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(chǎn)品，效率達到57.5~75.5%，已接近國外先進效率指標(biāo)。從水力設(shè)計資料看葉輪和導(dǎo)葉的流道面積變化均勻，說明當(dāng)時已較好地掌握了水力設(shè)計方法。JN型主要針對河湖、溝渠、土井淺水作業(yè)，嚴(yán)格來講，早期的JN泵不屬井泵系列。但其發(fā)展經(jīng)驗，尤其是早期葉輪與導(dǎo)流殼的水力設(shè)計經(jīng)驗是彌足珍貴的。
JN型經(jīng)過3次較大變革成功發(fā)展成QY型作業(yè)面泵。而北方深井提水也迫切需要相應(yīng)的產(chǎn)品。65年前后國內(nèi)已經(jīng)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(qū)研究、設(shè)計、試驗NQ型農(nóng)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(shè)計、系列化進行了總結(jié)；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(tǒng)一的定型方案。此后各地如雨后春筍般相繼開發(fā)出各種型號NQ型潛水電泵。NQ型的水泵部分由進水節(jié)、葉輪、導(dǎo)流殼和逆止閥等組成，結(jié)構(gòu)整齊，布置合理。這樣便于廠家形成多品種、系列化產(chǎn)品，很好地滿足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。從資料看當(dāng)時普遍采用一般離心泵葉輪配上空間導(dǎo)葉作為泵體部分。這種生搬硬套既不符合井泵特殊的結(jié)構(gòu)要求和工況，也不符合井泵內(nèi)部流動原理，造成能量損耗較大，往往達不到預(yù)期的指標(biāo)，效率普遍較低，當(dāng)時的設(shè)計者也注意到了。
2.70年代中后期~80年代大規(guī)模生產(chǎn)和全面研究階段
由于結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(nóng)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(shè)計、模型、鑄造及加工各環(huán)節(jié)詳細作了試驗、分析和探討，達到了深入的理論和經(jīng)驗積累。
隨后80年代初中國農(nóng)機院又掀起了深入研究井用潛水泵的高潮，針對葉輪和導(dǎo)葉水力設(shè)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(chǔ)上，促成80年代NQ型井泵的大規(guī)模系列化生產(chǎn)。這一時期全國各地潛水泵廠如雨后春筍般迅速發(fā)展起來，并且相繼開發(fā)出各自的系列，達到潛水井泵生產(chǎn)的高峰期。
從資料看這一時期比較成熟的設(shè)計之一是模仿普通立式多級離心泵，采用正反導(dǎo)葉，葉輪采用優(yōu)秀水力模型，導(dǎo)葉設(shè)計采用等速度矩原理。另一種采用空間導(dǎo)葉，葉輪采用優(yōu)秀水力模型，考慮葉輪與空間導(dǎo)葉的相互作用，把兩者作為一個整體來設(shè)計。這些設(shè)計思想在當(dāng)時的產(chǎn)品中得到很好得貫徹和體現(xiàn)。
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(chǎn)品略有提高，雖然還追不上同時期國外的技術(shù)水平，但80年代蓬勃的發(fā)展說明我國在井泵的設(shè)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(jié)構(gòu)和性能方面都有所優(yōu)化和提升，QJ這一型號也一直沿用至今。
3.90年代以來發(fā)展趨緩
在中國農(nóng)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(tài)，也不難理解，十余年的生產(chǎn)經(jīng)驗表明井泵性能基本維持在原來的基礎(chǔ)上，也就是說原有的水力模型是比較優(yōu)秀的，那么對于井泵這種量大面廣的產(chǎn)品，廠家更關(guān)注如何節(jié)約成本，而不是水力設(shè)計方法的研究。
大規(guī)模系統(tǒng)化的模型研究已不可能，比較普遍的是廠家對產(chǎn)品略微改進，或者通過引進國外高檔次產(chǎn)品加以仿制和吸收。但另一方面，理論研究工作仍然在繼續(xù)。較有共識之一，在大比速時，葉輪向后傾斜，再配上空間導(dǎo)葉，這種設(shè)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，采用優(yōu)秀葉輪，配上正反導(dǎo)葉，當(dāng)時的產(chǎn)品都明顯地反映了這兩種典型形式。
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2)我國長軸深井泵的發(fā)展
從資料看59年以前就已經(jīng)采用深井泵了，只是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高，因此沒有得到很好的發(fā)展。 1965年中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院聯(lián)合多家泵廠對J型機井泵和TJ型土井泵進行了設(shè)計和試制，兩者水泵部分的結(jié)構(gòu)基本相同，水流經(jīng)葉輪后通過導(dǎo)流殼消除環(huán)量從而提高水力性能。從實測結(jié)果看，效率較高，結(jié)構(gòu)緊湊，運行可靠。這對解決北方地區(qū)提取地下水，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要意義。 此后各地廠家紛紛試制出各自特色的產(chǎn)品，總體上呈現(xiàn)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(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。J型就是典型的長軸深井泵，后來發(fā)展成JD開式葉輪型，后又演變?yōu)镴C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(biāo)準(zhǔn)6~7%，達到國際水平，填補了國內(nèi)空白。 此后又開發(fā)出一系列產(chǎn)品，不僅深受用戶歡迎，重要的是在葉輪和導(dǎo)流殼的水力設(shè)計理論上也取得了重要的經(jīng)驗。相比之下，其他大多數(shù)型號的水力性能偏低，這與長期以來缺乏研究的慣性有關(guān)，也同廠家片面追求低廉化產(chǎn)品的觀念有關(guān)。
三. 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
當(dāng)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(chǎn)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。
一是很多設(shè)計人員把井泵當(dāng)作一般的多級離心泵，往往參照各種離心泵的優(yōu)秀模型而不是井泵的優(yōu)秀模型來設(shè)計葉輪（也因為井泵的優(yōu)秀模型很難找到），結(jié)果這些優(yōu)秀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(shè)計人員認(rèn)為我國的水泵設(shè)計技術(shù)不比國外差，把水泵產(chǎn)品的落后僅僅歸咎于材料技術(shù)和制造工藝技術(shù)落后，不愿意進行水力設(shè)計方法的改革，井泵的設(shè)計技術(shù)自然難提高了。
國家標(biāo)準(zhǔn)《井用潛水泵》（GB/T2816-2002）在制定基本參數(shù)時，取消了舊標(biāo)準(zhǔn)《井用潛水泵型式和基本參數(shù)》（GB/T2816-91）中對單級揚程的規(guī)定是順應(yīng)這個發(fā)展趨勢的。
圖2代表了今后的發(fā)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(jié)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(shè)計的井用潛水泵與國內(nèi)外同類井泵的技術(shù)參數(shù)比較：
新型井泵要比現(xiàn)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(jié)約原材料2/3，降低了生產(chǎn)成本。 四. 結(jié)束語
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新老井泵對比圖
圖2 新型SJB型井用潛水泵結(jié)構(gòu)圖
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