侯 鋒

（山西省呂梁市興縣晉興能源有限公司斜溝煤礦水暖環(huán)保科， 山西 興縣 033600）

引言

煤礦生產(chǎn)作為綜合類生產(chǎn)行業(yè)，其涉及到的生產(chǎn)環(huán)節(jié)及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備眾多。除了耳熟能詳?shù)牟擅簷C、刮板輸送機、液壓支架等大型機電設(shè)備外，還有很多設(shè)備僅有部分專業(yè)人士知道其名稱和用途。井用潛水泵是煤礦生產(chǎn)中重要的地下水提取設(shè)備，除此之外該設(shè)備還被廣泛應(yīng)用于河流、水庫以及水渠等提水工程中。在實際應(yīng)用中將井用潛水泵和電機連接成一個整體同時放入水中工作完成地下水到地表的提取任務(wù)[1]。但是，井用潛水泵在設(shè)計和制造過程中由于技術(shù)人員設(shè)計思想存在局限性導(dǎo)致我國自主生產(chǎn)的潛水泵性能不佳。因此，需對潛水泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，具體闡述如下。

1 井用潛水泵現(xiàn)狀分析

鑒于潛水泵造價低、使用方便以及運行噪音小等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中。目前，國內(nèi)針對潛水泵結(jié)構(gòu)及零部件的選型設(shè)計是按照清水泵的思路完成設(shè)計并制造。但是，煤礦綜采工作面的水質(zhì)是有液相和固相兩種狀態(tài)物質(zhì)組成的。因此，基于清水泵思路設(shè)計并制造的潛水泵在煤礦中應(yīng)用常會出現(xiàn)工作效率低、過流部件磨損嚴(yán)重以及壽命短等問題。

經(jīng)現(xiàn)場實踐可知，井用潛水泵磨損最為嚴(yán)重的部位為葉輪[2]。使用一段時間后的潛水泵會出現(xiàn)葉輪表面凹凸不平，繼而導(dǎo)致潛水泵的工作效率無法滿足工作面的生產(chǎn)需求；與此同時，潛水泵葉輪及葉片的磨損不均勻?qū)е缕湓诠ぷ鲿r會產(chǎn)生脈動線性，從而導(dǎo)致潛水泵在工作時的振動加劇，繼而降低了泵內(nèi)軸承和軸風(fēng)的使用壽命。

針對當(dāng)期前井用潛水泵的使用現(xiàn)狀及其面臨的問題，本文在井用潛水泵試驗研究的基礎(chǔ)上對該設(shè)備的葉輪、葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 井用潛水泵的工業(yè)性試驗研究

目前，一般采用仿真分析+實踐應(yīng)用的手段分析設(shè)備所存在的不足和急需改進(jìn)的方向。但是，基于仿真分析手段并不能準(zhǔn)確獲得實驗結(jié)果，其與模型試驗的結(jié)果還存在一定的差距。因此，本文采用模型試驗對井用潛水泵的性能進(jìn)行研究分析。

2.1 試驗內(nèi)容及試驗裝置

本文以后傾式葉輪和空間導(dǎo)葉的井用潛水泵為研究對象，通過采用流量計和壓力傳感器等測量設(shè)備對潛水泵在實際工作時的出口壓力和出口流量等參數(shù)進(jìn)行測量，繼而得到潛水泵揚程和流量（H-Q）曲線及潛水泵流量和效率（η-Q）曲線。揚程測量所依據(jù)的原理如公式（1）所示：

式中：H為潛水泵的揚程；Z1為潛水泵進(jìn)水處的高度；Z3為潛水泵出水口處的高度；P1為潛水泵進(jìn)水處的壓力；P2為潛水泵出水口處的壓力；ρ 為流經(jīng)潛水泵介質(zhì)的密度；v1為潛水泵進(jìn)水處的平均流速；v2為潛水泵出水口處的平均流速；g為重力加速度。本次試驗的試驗裝置如下頁圖1 所示。

2.2 潛水泵試驗結(jié)果分析

本次試驗著重分析潛水泵在不同流量狀態(tài)下對應(yīng)的潛水泵工作效率以及揚程[3]。試驗結(jié)果如下頁表1 所示。

分析表1 可知，隨著潛水泵流量的增加其對應(yīng)的效率值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其最大效率在潛水泵流量為36 m3/h 時產(chǎn)生；而潛水泵揚程隨著流量增大而減小，二者呈現(xiàn)反比的關(guān)系。

3 潛水泵葉輪及導(dǎo)葉的優(yōu)化設(shè)計

本文所研究的潛水泵是由傾斜式葉輪和空間導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)成的[4]。因此，針對該類型潛水泵的優(yōu)化需對

圖1 潛水泵模型試驗裝置示意圖

表1 不同流量下潛水泵工作效率及揚程對比葉輪和導(dǎo)葉兩個部件進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 潛水泵葉輪及導(dǎo)葉優(yōu)化設(shè)計要求

為確保潛水泵的最終優(yōu)化效果，經(jīng)對葉輪和導(dǎo)葉優(yōu)化設(shè)計后要求滿足如下功能性能：

1）經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后潛水泵的流量和揚程滿足設(shè)計要求；

2）經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的潛水泵滿足高效率工作的要求；

3）經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后潛水泵要求設(shè)備在工作時的振動和噪聲均比較??；

4）經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的潛水泵在工作時所承受的軸向力和徑向力均較小，保證設(shè)備的運行穩(wěn)定性；

5）經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后潛水泵的制造成本較低且制造工藝相對簡單。

3.2 潛水泵優(yōu)化參數(shù)的確定

潛水泵后傾斜式葉輪和空間導(dǎo)葉為設(shè)備優(yōu)化的重點。后傾式葉輪和空間導(dǎo)葉兩個部件涉及的參數(shù)眾多，若對所有參數(shù)均進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，其運算量非常大且后期改進(jìn)時的制造成本也較高。此外，潛水泵受到工作面井徑的限制，最好不對后傾式葉輪的進(jìn)門口直徑和空間導(dǎo)葉的出口直徑進(jìn)行改變[5]。

綜上所述，僅對后傾式葉輪的進(jìn)口角和出口角以及空間導(dǎo)葉的進(jìn)口角和出口角四個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。針對潛水泵上述參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計所采用的優(yōu)化流程如圖2 所示。

圖2 潛水泵葉輪及導(dǎo)葉優(yōu)化設(shè)計流程示意圖

3.3 潛水泵優(yōu)化結(jié)果分析

潛水泵優(yōu)化設(shè)計所選用的工況為其效率最高的工況，此時潛水泵對應(yīng)的流量為36 m3/h，與其對應(yīng)的潛水泵電動機的轉(zhuǎn)速為2 850 r/min。葉輪和導(dǎo)葉優(yōu)化的約束條件為潛水泵的效率。潛水泵葉輪和導(dǎo)葉優(yōu)化前后的參數(shù)對比及對應(yīng)效率如表2 所示。

表2 潛水泵優(yōu)化前后參數(shù)對比

如表2 所示，經(jīng)對潛水泵后傾式葉輪和空間導(dǎo)葉進(jìn)口角和出口角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，潛水泵的揚程和效率均得到顯著提升。其中，優(yōu)化后潛水泵的揚程從優(yōu)化前的6.6 m 增加到當(dāng)前的7.7 m，優(yōu)化后潛水泵的效率從優(yōu)化前的70%提升到當(dāng)前的74%。綜上所述，對潛水泵后傾斜式葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)出口角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后極大提升了設(shè)備在大流量工作區(qū)的性能，增加了潛水泵的運行穩(wěn)定性，即證明本文對潛水泵葉輪和葉片的優(yōu)化設(shè)計是有效的。

4 結(jié)語

井用潛水泵作為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要承擔(dān)將地下水排放至地面的功能。為解決潛水泵在實際應(yīng)用中效率低、振動大、磨損嚴(yán)重等問題，以后傾斜式葉輪和空間導(dǎo)葉組成的潛水泵為研究對象，以工作效率為目標(biāo)函數(shù)對葉輪和導(dǎo)葉的進(jìn)、出口角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，潛水泵的揚程從6.6 m增加到7.7 m，效率從優(yōu)70%提升到74%，證明對潛水泵的優(yōu)化設(shè)計是可行，應(yīng)在今后推廣應(yīng)用。