Устройство и применение скважинных насосов

Долголетняя практика эксплу­атации скважинных трансмиссион­ных насосов показала их надеж­ность, но одновременно были уста­новлены и их недостатки. Насосный узел обладает высоким КПД (80%), однако длинная трансмиссионная пе­редача, отклонения в центрировании вала и другие недостатки приводят к снижению КПД насосного агрегата на 20—25%. Монтаж трансмиссион­ного вала и установка промежуточ­ных опорных подшипников значи­тельно усложняют монтаж насосного агрегата. Расположение насосного узла в скважине не позволяет точно отрегулировать зазоры между рабо­чими колесами и направляющими аппаратами, что приводит к большим объемным потерям, снижению пода­чи, напора и КПД насоса. Наблюде­ния за работой насоса АТН-12-1-10 показали, что при изменении зазора от 0,4 до 2,33 мм КПД насосного узла уменьшается на 18%.

Погружной насос представляет собой агрегат, состоящий из центро­ежного многоступенчатого насоса (рис. 5.8) и погружного электро­двигателя с жестким соединением их валов. Таким образом, отпадает не­обходимость в длинном трансмисси­онном вале.

Насосный агрегат подвешивают в скважине на колонне водоподъем­ных труб и опускают в воду на та­кую глубину, чтобы верхний фланец клапанной коробки находился ниже динамического уровня в скважине не менее чем на 1,5 м. Днище элек­тродвигателя должно находиться вы­ше фильтра скважины не менее чем на 1 м.

Для забора воды из артези­анских скважин в Советском Сою­зе применяют погружные насосы восьми типов: ЭЦВ, АПТ, АП, АПВ, АПВМ, АЭНП, ЭНП, ГНОМ. В настоящее время насосы АТП, АП, АПВ, АПВМ, ЭНП снимаются с производ­ства и заменяются

диаметром 100—500 мм, с пода­чей воды 0,63—1200 м³/ч, напором 12—680 м, с общей минерализацией не более 1500 мг/л (сухой остаток), pH = 6,5-f-9,5 > с температурой до 25° Сие содержанием хлоридов не более 350 мг/л, сульфидов не более 500 мг/л, сероводорода не более 1,5 мг/л.

На рис. 5.8 показан многоколес­ный насос ЭЦВ 8-25-300. Каждая ступень насоса состоит из рабочего колеса, лопаточного отвода и обой­мы. Вода поступает в насос через корпус основания, защищенный пер­форированным листом из нержавею­щей стали. Рабочее колесо (радиаль­ное, закрытого типа, с гидравли­ческой разгрузкой) фиксируют на валу относительно лопаточных отво­дов с помощью распорных втулок и закрепляют шпонкой. Материал ра­бочих колес - ударопрочный полисти­рол. Лопаточные отводы имеют ради­альные лопатки на всасывающей и нагнетательной стороне, которые об­разуют межлопастные каналы для отвода воды от рабочего колеса пре­дыдущей ступени и подвода воды к колесу последующей ступени. Их вы­полняют из полипропилена и армиру­ют чугунными кольцами в местах уплотнительных узлов. Стальные обой­мы, составляющие корпус насоса, ус­танавливают между корпусами ос­нования и шарового клапана и стяги­вают четырьмя стяжками.

Опорами вала служат два резинометаллических подшипника (нижний и верхний). При числе ступеней боль­ше 10 устанавливают дополнитель­ный средний корпус, в котором раз­мещают дополнительный промежу­точный подшипник. Подшипники на­соса смазываются откачиваемой во­дой, а электродвигатель—водой, за­литой в полость статора перед его установкой в скважину. Электрона­сос никогда не должен работать “всухую” — даже кратковременное включение насоса в работу без воды приводит к повреждению подшипни­ков и обмотки двигателя.

В верхней части насоса располо­жен шаровой клапан, состоящий из пластмассового обрезиненного шара и корпуса с расточкой под шар. Кла­пан служит для разгрузки агрегата от давления столба воды в напорном трубопроводе и для предохранения от обратного вращения колес насоса и ротора двигателя при внезапном от­ключении электродвигателя

.Для привода насоса применяется электродвигатель типа ПЭДВ (П — погружной, ЭД—электродвигатель, В — заполненный водой). Электро­двигатель относится к типу мокрых двигателей, т. е. перед опусканием в скважину он должен быть заполнен чистой профильтрованной водой. Ка­бель для питания электродвигателя опускают в скважину одновременно с монтажом колонны водоподъем­ных труб и крепят к ним с помощью поясов. Длина токопроводящего ка­беля, входящего в комплект агрегата, должна быть численно равна номи­нальному напору. Кроме того, к это­му значению добавляют 3,5 м (рас­стояние от скважины до станции ав­томатического управления) и 1 м на каждые 50 м спуска для компенсации возможного скручивания и прогиба кабеля во время монтажа.

Насосы ЭЦВ других типоразме­ров по своей конструкции значитель­но отличаются от описанного насоса. Так, например, секция насоса ЭЦВ 8-40-65 имеет корпус, отлитый за одно целое с направляющим аппара­том, т. е. она подобна секции арте­зианского насоса с трансмиссионным валом типов А и АТН.

Поскольку содержание механических примесей более 0,01% приводит к повреждению резинометалличес-ких подшипников, насосы типа ЭЦВ запрещается применять для промыв­ки скважин. Для этой цели рекомен­дуется применять насосы

типа ЭНП, так как ими можно перекачивать воду с содержанием механических примесей до 0,05% по массе. В этих насосах для смазки резинометалли-ческих подшипников и полости элек­тродвигателя используется перекачи­ваемая жидкость, часть которой очи­щается центробежным очистителем, расположенным над верхней ступе­нью насоса. Очищенная вода по по­лым валам насоса и электродвигате­ля поступает в к-амеру подпятника и оттуда через лабиринтный замок направляется в полость электродви­гателя.

Погружные насосы по сравнению с артезианскими с трансмиссионны­ми валами имеют ряд преимуществ:

• исключается необходимость при­менения длинного вертикального ва­ла с промежуточными подшипника­ми, уменьшается металлоемкость на­соса;

• отсутствие трансмиссионного ва­ла позволяет применять погруж­ные насосы в искривленных сква­жинах;

• упрощается конструкция водо­подъемного трубопровода, монтаж и демонтаж насосной установки;

• уменьшается площадь павильона над скважиной.

Вследствие этих преимуществ по­гружные насосы находят широкое применение для подъема воды из трубчатых колодцев и постепенно вытесняют трансмиссионные насосы.

На рисунке 5.9 изобра­жен насос марки ЦТВ с ос­новными его частями и дета­лями. Насос подвешивается на трубопроводе, который со­бирается секциями длиной 8...10 м вместе с валом, про­ходящим внутри секции, и под­шипниками, находящимися в опорных крестовинах.

Подшипники устраивают с резиновыми вкладышами и водяной смазкой от перекачиваемой воды или с лигнофелевыми вкладышами, для которых чистая вода для смазки подается но специальному трубопроводу малого диаметра, проходящему вдоль напорного трубопровода.

Насосная установка с насосом марки ЦТВ имеет вер­тикальный электродвигатель особой конструкции с опор­ным подшипником (пята) над электродвигателем. Под­шипник вращается в масляной ванне и воспринимает вес вала и роторов двигателя и насоса, а также осе­вое усилие рабочих колес насоса.

В электродвигателях имеется приспособление для предотвращения обратного вращения вала, чтобы не бы­ло раскручивания соединительных муфт при внезапной остановке или неправильном вращении.

Насосы УЦТВ имеют ту же конструкцию, что и ЦТВ только вместо вертикального электродвигателя устанав­ливают универсальную приводную головку. Она позволя­ет использовать не только вертикальные, но и горизон­тальные электродвигатели, а также двигатели внутренне­го сгорания. Это расширяет область применения насосов, так как их можно использовать даже там, где нет элект­роэнергии (например, отгонные пастбища).

Достоинство скважинных насосов с двигателем над скважиной — возможность ремонта и осмотра двигателя без демонтажа всей насосной установки.

К недостаткам относятся: большая металлоемкость и невозможность применения на искривленных скважи­нах, так как длинный составной вал должен быть строго прямолинеен; трудность и длительность демонтажа секций вала и труб с подшипниками; наличие дополнитель­ных гидравлических потерь напора в трубе с опорными крестовинами и вращающимся валом.

Маркировка насоса такова: например, ЦТВ 10-100-80 означает: Ю – минимальный внутренний диаметр обсад­ной трубы скважины в мм, уменьшенный в 25 раз, то есть диаметр скважины 250 мм; 100—подача в м³/ч 80 — напор в м.

Скважинные насосы с погружным электродвигателем марки ЭЦВ (буквы обозначают: электронасос, центро­бежный, водяной) являются также многосекционными насосами, но секции обыкновенно заключены в общий трубчатый кожух. Рабочие колеса могут быть радиаль­ные и диагональные (полуосевые).

Вес ротора электродвигателя, рабочих колес насоса и осевое усилие воспринимаются специальными подшипниками, расположенными в нижней части электродвигателя. В этом случае рабочие колеса насоса должны быть зафиксированы на валу. Однако существует кон­структивная разновидность со свободной посадкой колес на валу. Тогда осевое усилие воспринимается специаль­ными обоймами лопаточных отводов каждой секции.

Подшипники вала насоса имеют водяную смазку и выполняются из текстолита, лигнофоля или резины. Ра­бочие колеса выполняют не только из стали и бронзы, но и из упрочненного полистирола.

В приводе насосов применяют так называемые мокростаторные двигатели, у которых обмотка статора нахо­дится в прочной полиэтиленовой водонепроницаемой изо­ляции. Ротор электродвигателя — короткозамкнутый, на­бран из листов электротехнической стали и залит алю­минием. Между ротором и статором заливается чистая вода.

3.Особенности эксплуатации скважинных насосных установок.

Перед началом монтажа насоса, а также во время эксплуатации измеряется положение статического и динамического уровня воды в скважине. Измерение производят с помощью электробатометра или хлопушки (шнура с привязанным к нему на конце “колоколом” или диском). Проверяется прямолинейность скважины.

Работа по наладке установки заключается в основном в регулировке систем смазки и охлаждения подшипников.

Перед каждым пуском необходима предварительная смазка подшипников трансмиссии. При водяной смазке под давлением, на 3-5 минут, пустить воду в подшипники, при смазке подшипников откачиваемой водой - предварительно смочить водой верхние подшипники трансмиссии, заливая ее сверху через специальную трубку из бака или водопровода.

Не следует допускать работы насоса, когда уровень воды в скважине снижается до предела всасывания. В этом случае уменьшается подача и насос начинает работать с перерывами; перерывы в работе сопровождаются гидравлическими ударами, вызывающими вибрацию и повреждение установки.

Наиболее благоприятные условия работы насоса – когда одно или два нижних рабочих колеса погружены в воду. Для этого следует периодически по приборам контролировать динамический уровень воды в скважине.

При кратковременных остановках следует выждать до окончания обратного тока воды в скважину и лишь после этого производить повторный пуск насоса.

Нельзя приостанавливать работу насоса, откачивающего из скважин воду с большим содержанием ила и песка. При подобных остановках может произойти занос скважины и насоса песком, заедание и стирание частей насоса. Осаждение большого количества песка на дне скважины частично убавит приток воды в скважину, что уменьшит ее дебит. Чтобы прекратить работу насоса, нужно, по возможности, снизить число оборотов и выждать момент, когда насос начнет подавать чистую воду.

Как правило, насос устанавливают в скважину после строительных откачек эрлифтом или специальным насосом с производительностью, превышающей на 10-15% нормальную производительность эксплутационного насоса.

4.Характеристики насосов.

Для подъема воды из скважин и глубоких колод­цев применяют скважинные лопастные насосы при напо­ре от 30 до 110 м марок ЦТВ и УЦТВ с электродви­гателем над скважиной и при напоре более 110 м мар­ки ЭЦВ с погружным элек­тродвигателем.

Скважинные насосы с электродвигателем над сква­жиной выпускают с подача­ми от 30 до 700 м³/ч для скважин диаметром от 200 до 600 мм, а электронасосы с погружным электродвигате­лем — с подачами от 1 до 1 000 м³/ч для скважин диа­метром от 100 до 500 мм.

Сводный график напорных характеристик насосов ЭЦВ, выпускаемых промышленностью, изображен на ри­сунке 5.10.

Первые конструкции погружных электродвигателей были очень чувствительны к агрессивности воды и абра­зивным примесям и часто выходили из строя. В настоящее время агрегаты выпускают для подъема химически активной воды (исполнение Х — эта буква пишется в марке насоса после напора), и с повышенной темпера­турой (исполнение Тр), и с повышенным содержанием твердых примесей (исполнение Г), и для работы в усло­виях повышенных требований к ударостойкости сейсмо­стойкости (исполнение А). Таким образом, расширилась область применения скважинных насосов с погружным электродвигателем для различных условий водоподъема. Этому способствуют также их достоинства: простота монтажа и демонтажа установки; возможность установки в искривленных скважинах; отсутствие длинного транс­миссионного вала и меньшие гидравлические потери напора в трубах по сравнению с насосом марки ЦТВ.

При расчете действительных расхода и напора насо­са по напорной характеристике надо учитывать, что гео­метрическая высота подъема Н_г+?Н, показанная на рисунке 5.11, меняется в зависимости от расхода насоса. На рисунке величина Н_г постоянна. Это разность между уровнем воды в резервуа­ре, куда подается вода, и статическим уровнем грун­товых вод, когда никако­го водозабора нет. Если насос начинает забирать воду из скважины, то уро­вень в ней понижается на ?Н в результате того, что в затрубном пространстве образуется кривая спада (воронка депрессии) и вода движется к скважине. Зависимость ?Н=f(Q) опреде­ляется пробными откачками при сдаче скважины в экс­плуатацию и вносится в ее паспорт.

Обыкновенно функция ?Н=f(Q) соответствует эм­пирической формуле вида

?Н =?Q^?

где а и ? находят из действительных замеров расхода и уровня воды в скважине.

Кривая ?Н-Q построена путем суммирования орди­нат ?Н и Н_г = соnst. Далее от кривой (?Н+Н_г) — Q отложены гидравлические потери напора от насоса до ре­зервуара (кривая h_тр — Q). Таким образом получена ра­бочая точка А в пересечении кривой (?Н+Н_г+ h_тр) — Q с напорной характеристикой насоса. Эта точка определяет действительные подачу Q_A напор H_A, кото­рые может дать насос.

При расчете гидравлических потерь напора в насос­ной установке с длинным трансмиссионным валом в тру­бе надо пользоваться коэффициентами гидравлических сопротивлений, приводимыми в каталогах, так как эти коэффициенты зависят не только от диаметра трубы, но и от скорости в трубе (от числа Рейнольдса).

Минимальное заглубление насоса h_В отсчитывается от динамического уровня грунтовых вод.

Список литературы

1. В.Я.Карелин, А.В.Минаев «Насосы и насосные станции» Москва «Стройиздат» 1986 г. 320 с.

2. А.М.Тюленев «Справочник гидротехника-ирригатора» часть 2 Ташкент 1974 г. 328 с.

3. А.К.Михайлов, В.В.Малюшенко «Лопастные насосы» Москва 1985 г. 250 с.