三元流技术概述及与水泵技改的比较

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目前，节能降耗已成为全国各行各业，特别是高耗能企业的重要任务。我国已把节能降耗提到了国民经济发展非常重要的位置。离心泵是把原动机的机械能通过离心泵叶轮产生的离心力使液体产生动能，从而达到输送液体的目的，它广泛应用于国民经济的各个领域。因此，通过优化离心泵的性能做好离心泵的节能工作，是节能降耗中至关重要的一环。

1三元流技术概述

我国离心泵多年来一直采用一元流理论设计离心泵叶轮，它的设计理念是假定进出口流通截面及流道内部任何流通截面的水流分布是均匀的，而流速仅为一个自变量的函数。据此而设计出叶片的几何形状，制作出多种模型进行试验，择优选用。由于离心泵在不同工况下其流量、压力变化范围很大，而这种叶轮的模型只能是有限的数种，因而无法保证优选模型与实际工况一致。这就导致离心泵叶轮偏离设计最佳效率点，进而影响泵的实用效率。我国科学家吴仲华教授创立的S1、S2两类流面概念，奠定了叶轮机械三元流动理论的基础，中科院研究员刘殿魁教授于1986年提出了《叶轮机械内含射流—尾迹的完全三元流的解法》。应用这一计算方法对叶轮流道进行设计，有效地解决了尾迹区的影响，提高了叶轮的水力效力，同时增大了有效流通面积，提高了离心泵的工作效率。离心泵的水力效率受水泵叶轮的进口轮径、出口轮径、轮毂比、子午流道的曲率变化、叶型中心线的形状、叶片厚度分布、安装角、进口角、出口角及泵的工作流量、压力变化等多种因素的影响。而根据《射流—尾迹三元流动理论》结合离心泵在使用中的流量、扬程等具体参数设计制作的高效三元流叶轮，在不变动泵体安装结构的情况下，换装于原泵体内。以投资最少，见效最快的技改方式，达到节能降耗的目的。

2三元流技术原理

三元流技术，实质上就是通过使用先进的泵设计软件《射流—尾迹三元流动理论计算方法》，结合生产现场实际的运行工况，重新进行泵内水力部件（主要是叶轮）的优化设计。具体步骤是：先对“在用”离心泵的流量、压力、电机耗功等进行测试，并提出常年运行的工艺参数要求，作为泵的设计参数；再使用泵设计软件设计出新叶轮，保证可以和原型互换，在不动管路电路、泵体等条件下实现节能或扩大生产能力的目标。

2.1一元、三元流动基本概念

下页图1左边是叶轮的局部视图，右边是把叶轮内两个相邻叶片和前、后盖板形成的流道abcdefgh作为一个计算分析研究的单元。aehd、bfgc是两个相邻的叶片，dcnghid是叶轮前盖板，bkfeja是叶轮后盖板。传统的“一元流理论”就是把叶轮内的曲形流道abcdefgh，视为一个截面变化的弯曲流管，认为沿流线的流速大小仅随截面大小而变化，但假定在每个横断面上如abcd、ijkn、efgh等，流速是相同的。这样在流体力学计算中，流动速度（w）就只是流线长度坐标（s）的一元函数。这种简化使泵内部流体力学的计算可以用手工算法得以实现。国内采用的双吸水平中开泵，就是采用这种理论设计的。然而由于叶轮流道abcdefgh的三元曲线形状又是高速旋转的，流速（或压力）不但沿流线变化，而且沿横截面abcd，ijkn、efgh等等，任何一点都是不相同的，即流速是三元空间圆柱坐标（R、Φ、Z的函数）。特别是叶片数也是有限的，流速和压力沿旋转周向（Φ坐标）的变化，正是水泵向流体输入功的最终体现。忽略这一点就无法计算水泵内部的压力变化，这也就是为什么一元流动理论只能计算叶轮进口、出口参数，而不能准确分析叶轮内部流动参数的原因。水泵的效率显然与其内部流动状况的好坏是密不可分的，一元流理论固然简单，但不能完全反映泵内的真实流动，这就在设计上阻碍了泵效率的提高。

2.2“射流—尾迹”

三元流动最早在航空用离心压气机中，用激光测速技术观察到“射流—尾迹”现象，如图2所示，弧状弯曲线dh和cg分别代表两个相邻的叶片，dc为叶片进口边，hg为叶片出口边，w1为叶片进口流速，w2为叶片出口流速，都是不均匀的。t是流动分离点，htv即是尾迹区，是一些低能量流体组成，类似一个旋涡。cdtvg则是射流区可视为无黏性的位流区，可按通常的三元流计算。下面把差别较大的几点加以描述：如图3所示，叶轮的子午流道形状，对应于图1中的叶片位置，依次为进口、出口、叶轮前盖板内壁型线、叶轮后盖板壁面型线。实线为三元流叶轮，虚线为传统一元流叶轮。前者轴向向进口方向延伸轴向宽度大，造成流动损失尽可能小的进口条件，使泵的效率和气蚀性能得以改善。叶片在垂直轴线Z的平面上投影为adh曲面由于Φ角的改变可以看到三元流叶片扭曲显著，而一元流叶片a1、d1、h则扭曲度小，有时a1与d1重合，叶片完全不扭曲，而只是一个板式弯曲形叶片我们称之为直叶片。当然，针对具体的设计，三元流设计的叶片进出口尺寸可能与一元流均不同，甚至叶片数目也不相同，不一一描述。

3水泵技改方式的比较

叶轮是水泵的心脏，它决定了泵的扬程、效率的绝大部分，泵体的影响较小。对于在用泵，结合其在用的流量、扬程及泵体，设计出可互换的高效率三元流叶轮，换装原泵内，这是投入最少、简单易行、见效最快的技改方式。在实际生产运行中，由于离心泵不符合使用要求，往往采用切割叶轮的方式来解决。这种方法实际上是减少了泵的流量和扬程，此时电机功率会减少。但由于流量的减少，离心泵的水力效率下降，单耗增大，并没有起到节能的目的。而目前推广的变频调速方案，是通过降低频率来降低电机、离心泵转速，从而使离心泵的流量和扬程下降，以减少电机功率损耗和阀门节流损失，达到一定的节能目的，离心泵的水力效率并没有得到提高。且投资大，使用、维护费用较高，适宜于工况变化频繁的情况下使用。河南延化化工有限公司是历经30年发展起来的中型氮肥企业。生产系统使用的离心泵均为一元流结构，配用电机常年超负荷运行，电机易烧毁，维护工作量大，电耗及其它费用居高不下，对公司节能增效影响很大。通过对节能手段的分析论证后，采用了依据《射流—尾迹三元流动理论》，结合公司各工段实际运行参数设计制造的新型叶轮，先后对尿素循环水泵和合成氨循环水泵实施了技术改造。在不变动工艺管线，确保生产工况不变的情况下，通过换装新型叶轮，使设备运行得到彻底优化。公司已对24台循环水泵进行了技术改造，其中17台泵运行，7台备用。完成改造后未出现因超负荷而烧毁电机的现象，维护工作量和维修费用明显下降，特别是电耗大幅度下降，具体检测数据见表1。经过计算每年可节约电费达146.77万元。通过使用三元流叶轮，提高了离心泵的工作效率，从而取得了可观的经济效益，达到了节能降耗的目的。

4结论

经过上面的理论介绍与分析，以及改造实例，证明射流—尾迹三元流动理论在水泵设计方面具有显著优势，通过此技术直接对水泵的叶轮改造，不但能够提高水泵的运行效率，实现节能：而且可以实现“保证电机不超载的情况下，改变扬程，大幅提高流量”的技术目标。综上所述，对在用的水泵，使用三元流动理论设计高效率可互换的叶轮，无论对工频泵或变频泵都是行之有效的节能技改方案，其投入产出比最优。