离心水泵叶轮的三元流技术原理及应用
离心水泵叶轮的三元流技术原理及应用
离心水泵叶轮的三元流技术原理及应用LI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LI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讣离心泵叶轮，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儿何形状，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讣最佳效率点，进而影响泵的实用效率。
我国科学家吴仲华教授创立的si、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“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讣，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”理论结合离心泵的实际流量、扬程等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H 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，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H 标。
案例1三元流多级离心鼓风机技术应用案例
主要技术指标
改变电动机输入频率，以调节电动机的出力
技术来源
项目建成规模
项目建设条件
主要建设和改造内容
对两台机组的六台凝结水泵电动机进行变频改造，采用一拖一 ”
一拖二”设计，电机固定由变频器单独驱动、两台电机、任何时候
附件上海市重点推广节能低碳技术产品简介（年）案例 三 元流多级离心鼓风机技术应用案例
项目名称地点
湖北十堰神定河污水处理厂
关键应用技术名称
三元流多级离心鼓风机
技术内容
.技术原理
、鼓风机进气室的型线以及分流筋片是基于三元流理论进行优化设 计，分流筋片在进气室布置使气流更流畅地进入叶轮，减少了气体 的流动损失。
项目投资回收期（年）
只有一台由变频器驱动，另一台可工频备用。任意一台电机都可以
运行在变频状态也可以运行在工频状态。
主要设备
加装四套电机变频系统
项目投资额（万兀）
项目建设期（月或年）
个月
项目年节能量（折吨标
准煤，电力折标系数吨
标准煤万千瓦时）
项目可形成的年经济
效益（万元）
项目投资回收期（年）
案例 注塑机电机变频改造技术应用案例
更换二台普通多级离心鼓风机为三兀流节能型多级离心鼓风机。
主要备
三元流多级离心鼓风机
项目投资额（万兀）
项目建设期（月或年）
个月
项目年节能量（折吨标 准煤，电力折标系数吨 标准煤万千瓦时）
项目可形成的年经济 效益（万元）
项目投资回收期（年）
案例电机变频调速技术应用案例
流体机械三元流动理论
三元流动理论在叶轮机械中的应用与发展所谓三元流动，其含义是指在实际流动中，所有流动参数都是空间坐标系上三个方向变量的函数。
其通用理论的中心思想是将叶轮机械内部非常复杂、难以求解的三元（空间）流动,分解为相交的两族相对流面上比较简单的二元（流片）流动，只使用这两族流面就可以很容易地得到三元流场的近似解，同时使用这两族流面进行迭代计算，可以得到三元流动的完整解。
三元流动是透平机械气动热力学的专门问题。
最初是航空上为了提高飞机性能，对压缩机的设计不断提出新的技术要求和性能指标，从而使压缩机的第一级由亚音速过渡到超音速。
流线的曲率和斜率对气流参数的影响就特别突出，要设计样的叶轮机械就必须突破“沿圆柱表面”流动的束缚，把流线的曲率和斜率考虑进去，同时还要考虑熵和功沿径向的变化。
因此，迫切需要建立新的流动模型，把二元流发展到三元流。
按三元流动理论设计出既弯又扭的三元叶轮，才能适应气流参数(如速度、压力等)在叶道各个空间点的不同，并使其既能满足大流量、高的级压力比，又具有高的效率和较宽的变工况范围。
图1：S1流面与S2流面相交叉模型叶轮中三元流动的理论大致可分为三类：通流理论、Sl与S2相对流面理论和直接三元流理论。
(1)通流理论通流理论最早是由劳伦茨(Lorenz)提出的。
这个理论假设叶片数趋于无穷多，叶片厚度趋于无限薄。
此时，介于两相邻叶片间的相对流面S2与叶片的几何中位面趋于重合，而其上的流动参数在圆周方向的变化量趋于零，但圆周方向的变化率却保持有限值。
所以，此时仍不是轴对称流动。
叶片的作用则通过引入一假想的质量力场来代替。
这样，只要求出在这个极限流面上流动的解即可。
但是，这样得出的解实际上只能是在叶栅密度较大时，作为某个大约与叶道按流量平均的中分面相重合的相对流面上的解。
(2)Sl、S2相对流面理论（如图1）1952年，吴仲华提出了用准三元方法求解三元流动的理论，即著名的叶轮机械两类相对流面（S1流面和S2流面）的普遍理论，把一个复杂的三元流动问题分解为两类二元流动问题来求解，使数学处理和数值计算大为简化。
离心泵原理及应用
离心泵原理及应用离心泵工作原理驱动机通过泵轴带动叶轮旋转产生离心力,在离心力作用下,液体沿叶片流道被甩向叶轮出口,液体经蜗壳收集送入排出管。
液体从叶轮获得能量,•使压力能和速度能均增加,并依靠此能量将液体输送到工作地点。
在液体被甩向叶轮出口的同时,叶轮入口中心处形成了低压,•在吸液罐和叶轮中心处的液体之间就产生了压差,吸液罐中的液体在这个压差作用下,不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮中。
离心泵主要工作参数流量即泵在单位时间内排出的液体量,通常用体积单位表示,符号Q,单位有m3/h,m3/s,l/s等,⑴体积流量Q ：m3/h m3/s L/s⑵质量流量m ：kg/h kg/s t/hm=ρQ ρ液体密度kg/m3扬程输送单位重量的液体从泵入口处(泵进口法兰)到泵出口处(泵出口法兰),其能量的增值。
常用H表示,单位J/kg、m液柱转速泵的转速是泵每分钟旋转的次数,用n来表示。
单位：rpm，或r/s一般离心泵转速970 rpm、1450 rpm、2950 rpm；高速离心泵的转速可达20000 rpm以上功率单位时间内所做的功⑴有效功率Ne 单位时间内泵输送出去的液体有效能头。
⑵轴功率N：泵轴输入的功率。
效率用η表示，是衡量泵的经济性的指标汽蚀余量离心泵的汽蚀余量是表示泵的性能的主要参数,•用符号Δhr表示,单位为米液柱。
有效汽蚀余量液体流自吸液罐,经吸入管路到达泵吸入口后•,所富余的高出汽化压力的那部分能头。
用Δha表示。
泵的必须汽蚀余量液流从泵入口到叶轮内最低压力点K处的全部能量损失,用Δhr表示离心泵结构叶轮它是离心泵内传递能量给液体的唯一元件,叶轮用键固定于轴上，随轴由原动机带动旋转，通过叶片把原动机的能量传给液体。
叶轮的作用是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能(主要增加静压能)。
叶轮叶轮有开式、半闭式和闭式三种，如图所示。
开式叶轮在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于输送含有较大量悬浮物的物料，效率较低，输送的液体压力不高；半闭式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低；闭式叶轮在叶轮在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体。
应用三元流技术改造循环水泵 实现节能降耗
应用三元流技术改造循环水泵实现节能降耗摘要：胜利石化总厂供排水车间第二循环水场于97年投入运行，正常生产运行3-4台循环水泵，随着机泵长周期的运行，机泵内部部件腐蚀、磨损严重，高耗低效问题日益突出。
为此，车间提出应用三元流技术对8台循环水泵叶轮进行改造，改造后机泵效率得到大幅提升，年节电497万度，减少电费支出326万元，实现节能降耗目的。
关键词：三元流改造叶轮降耗一、石化总厂供排水车间循环水系统现状及存在的问题供排水车间第二循环水场于1997年3月份建成投产，供石化总厂常减压、加氢、焦化、重油催化、气分、空分、硫磺等装置水冷换热设备和机泵设备的冷却用水。
日平均耗电量为50000kWh左右，占全厂耗电总量的10%，是全厂用电大户。
车间有7台型号为600S75B的单级双吸离心循环水泵，设计参数为功率560kW、转速970r/min，流量2710m3/h、额定电流67.9A，1台型号为12sh-9单级双吸离心循环水泵，设计参数为功率220KW，流量790m3/h。
正常生产情况下运行3-4台循环水泵。
随着机泵长周期的运行，机泵内部部件腐蚀、磨损严重，高耗低效问题日益突出：一方面机泵效率逐渐降低，供水能力逐步减少，外送水量由设计值2710m3/h降至目前2090m3/h左右。
另一方面，电耗较高，部分电机发生电流超设计值的情况，不符合目前设备节能降耗的要求。
如何提高机泵的效率，延长其使用寿命，大幅度降低电耗，实现节能任务成为当前急需解决的问题。
为此，车间决定对循环水泵叶轮进行“三元流”改造。
二、叶轮机械“三元流动理论”原理叶轮机械三元流动理论即对径流、混流两类流面适当组合、相互迭代，然后完整地得出气流流过叶轮机械叶片槽道空间的三维变化。
三元流技术是用数学方法和模型来模拟分析叶轮机械复杂的内部流动，使泵的叶轮设计比以前有了改善，设计更合理，所以泵的效率得到了提高。
“射流—尾迹三元流动”理论，把叶轮内部的三元立体空间无限地分割，通过对叶轮流道内的各工作点的分析，建立起完整、真实的叶轮内流动的数学模型。
叶轮机械三元流动通用原理
叶轮机械三元流动通用原理The principles of the three-element flow in centrifugal machinery are essential to understand in the field of mechanical engineering. 叶轮机械三元流动原理是机械工程领域中必须理解的基本原理之一。
This concept involves the study of the interactions between the flow of fluid, the rotation of the impeller, and the resulting pressure and velocity changes within the centrifugal pump. 这个概念涉及了流体流动、叶轮的旋转以及离心泵内因此产生的压力和速度变化之间的相互作用。
With a deep understanding of these principles, engineers can design and optimize centrifugal machinery for various applications. 有了对这些原理的深刻理解，工程师可以设计和优化适用于各种应用的离心机械。
One of the fundamental aspects of the three-element flow in centrifugal machinery is the study of fluid dynamics. 叶轮机械三元流动的一个基本方面就是流体动力学的研究。
It involves the analysis of how fluids behave in motion, including the principles of conservation of mass, momentum, and energy. 它涉及流体在运动中的行为分析，包括质量、动量和能量守恒原理。
三元流技术
三元流叶轮在循环水系统中的应用离心泵广泛应用于工农业生产和居民生活的各个领域，每年消耗在水泵机组上的电能占全国电耗的21%以上。
因此，离心泵的节能问题就引起了人们的关注，各种节能措施也越来越受到人们的重视。
离心泵是一种将电动机的机械能转化为输送液体的静压能和动能的设备，由于存在电能、机械能、静压能和动能之间的转换，所以其转换效率的高低就备受关注，尤其是在能源日趋紧张的今天，在国家“十一五”规划的要求下，节能降耗成为了当今的主流。
如何提高离心泵的运行效率，实现系统的最优化运行就成为了用户的主要研究对象。
1 当前循环水系统存在的问题及其分析某车间循环水系统使用的循环水泵为20 SH-9型水泵和14 SH-9 B两种离心泵，并联运行。
20 SH-9泵的铭牌参数：流量Q=2 016 m3/h，扬程H=59 m；14 SH-9 B泵的铭牌参数：流量Q=1 080 m3/h，扬程H= 55 m。
由于系统进行了凉水塔改造，运行压力控制在0.43－0.48 MPa之间就能满足生产车间工艺的要求。
这样，由于水泵采用传统的一元流叶轮，并且为不同型号的水泵搭配运行，且运行压力偏离水泵的设计扬程较远。
离心泵设计上是在额定扬程时效率最高，但现在泵的出口压力已经远远偏离了其设计扬程，从而使水泵的运行在低效区运行，造成了能源的浪费。
传统的改造方法是对现有的水泵叶轮进行切削，按照工艺需求压力的需求，对泵的叶轮进行一定比例的切削，来降低水泵的扬程，进一步满足运行的需要。
这种做法在现有运行方式上可以稍微提高泵的效率，但不能从根本上解决问题，尤其是工艺需求压力偏离泵的设计扬程较大时，其会导致叶轮和泵体间隙加大，导致流体在叶轮的蜗壳压水室的进口处发生涡流和环流，冲击加大，产生损失增大，同时，由于叶轮变小，其回流问题也就更加突出，其必然导致泵的流量和扬程受到影响，使泵的容积效率ηV降低，从而使水泵的总效率又有所下降，造成一定的能源浪费。
“三元流”新技术在改造煤矿主水泵节电中的应用(7)
“五小”实用技术项目申报表申报单位: 企管办填报时间：2011年9月5日项目名称“三元流”新技术在改造煤矿主水泵节电中的应用实施时间2011年个人项目姓名性别出生年月文化程度职称工作岗位集体项目参与完成人员黄儒林主要负责人姓名柳建性别男出生年月1970.08 文化程度本科职称高工工作岗位企管办节能环保主要负责人工作节能环保等工作。
项目简述一、概述。
运用“三元流”新技术可对煤矿各类大型水泵进行改造，能显著提高水泵的运行效率，达到节约用电及减少开泵数量的的。
该新技术也是国际上流行的一种简易而行的新技术。
目前国内部分钢铁企业大型循环水泵已运用该技术进行了改造，取得了成功，创造了显著的节能经济效益。
二、运用新技术途径与措施。
煤矿井下大水泵以及地面水厂、水源井水泵等，大型水泵多数没有运用变频调速节电技术实施改造，也受到电压高（如6KV）和投资大等因素的影响。
这些水泵运行中，效率非常低（有的低于70%），电耗高，存在很大的节电空间。
运用“三元流”叶轮改造水泵，能显著提高效率，平均节电率在30%左右，视如变频节电调速技术，它无需庞大的控制设备，免去了设备自身的能耗了，同时又不受防爆条件的限制。
运用该技术还能提高水泵扬程与流量。
三、改造效果。
单台300KW水泵应用“三元流”叶轮改造，投资约20万元。
如朔里矿改造前，1#、2#泵（300KW、400KW）同时运行，日工作18小时，系统运行效率（含负载率）按75%，改造平均节电率按30%计算，那么年节电量就达103.48万度，按0.70元/度电价计算，年节约电费72.43万元。
类似集团公司20家企业推广应用，每单位仍按此容量和数量计算（成本仅1000万元以内即可），一年可节电2069.55万度，创经济效益1448.68万元，扣除1000万元的成本，一年还可获利448.68万元。
那么一年之后每年就可获得1448万元以上的纯利润了。
（计算及改造方案详见附件1、2）可展示形式该新技术项目，主要创新特点集中体现如下：一是该新技术结构简单，无需庞大的控制设备；二是运用该技术不受环境条件的限制（比如防爆要求、电压等级要求、空间和位置要求、环境温度与潮湿情况等），自身无能耗；三是节电率高（水泵效率明显得到提高，节电率达到30%以上）；三是投资小（比同等条件下的变频调速控制投资要小）；四是具有技术好、新颖、先进的特点。
三元流技术在循环水泵节能技术改造中的应用实践
三元流技术在循环水泵节能技术改造中的应用实践针对某大型化工企业循环水系统存在的大马拉小车现象和水泵长期处于大流量、超扬程的偏设计工况运行的特点，提出采用三元流技术对水泵进行纠偏节能技术改造，通过更换高效三元流叶轮达到提高水泵运行效率及降低能耗的目标。
实施改造后，水泵效率提高近10%，单台水泵每年节约电能76.8 万kW-h，节能效果显著。
1、前言某大型化工企业循环水系统的6 台单级双吸卧式水泵由于叶轮长期磨损、水力效率低以及设计参数与循环水系统匹配不当，造成大马拉小车现象严重，水泵长期处于大流量、超扬程的偏设计工况的运行状态，运行效率低，具有巨大的节能改造空间。
本文所叙述的水泵节能改造，采用了三元流技术，通过重新设计、制造并更换高效三元流叶轮，实现水泵性能优化和运行匹配，达到提高水泵运行效率及降低能耗的目的。
2、不同改造方案对比分析目前，常用的水泵节能技术改造方案主要有4 种:切割叶轮外径、变频调速、更换新泵和重新设计高效新叶轮。
4 种方案的对比特点见表1。
表1 水泵节能技术改造方案对比通过表1 对4 种节能改造方案的综合对比分析可知:采用重新设计高效新叶轮的方案最为可行，该方案是在保证新叶轮与原有叶轮互换性基础上，采用优秀的水力模型对叶轮进行重新设计，真空技术网(chvacuum/)认为可以彻底解决切割叶轮和变频节能技术无法实现系统彻底节能的技术难题，标本兼治，达到最佳节能效果。
3、三元流动理论及其实施方法3.1、三元流动理论概述叶轮机械三元流动理论是将叶轮内部的三元立体空间无限地分割，通过对叶轮流道内各工作点的分析，建立起完整、真实的叶轮内流体流动的数学模型。
依据三元流动理论设计的叶片形状为不规则曲面形状，叶轮叶片的结构可适应流体的真实状态，能够控制叶轮内部全部流体质点的速度分布，可以显著提高水泵的运行效率。
三元流动理论最早是由吴仲华院士创立，因此也称吴氏理论，他提出了S1、S2 两类流面的概念，但是吴氏理论是建立在理想流体忽略流体粘性假设的基础上，计算结果往往与流体实际流动情况偏差较大。
三元流技术高效节能水泵技术原理分析
三元流技术高效节能水泵技术原理分析STS高效节能水泵采用三元流理论与CFD计算流体力学和优化方法相结合的技术路线，从考虑水力损失最小、服从最高和汽蚀性能最好动手，探求不同的流动和几何参数的最优组合，而推出的新型高服从节能水泵。
三元流动理论就是把叶轮内部的三元立体空间无穷地分割，通过对叶轮流道内各工作点的分析，建立起完备、真实的叶轮内流体流动的数学模型，依据三元流动理论设计出来的叶片外形为不规则曲面外形，叶轮叶片的结构可适应流体的真实流态，能够控制叶轮内部悉数流体质点的速度分布，因此，应用三元流动理论设计的水泵，运行服从得以明显进步，具有显明的节能结果。
节能原理目前工矿企业流体介质输送体系、自来水输送体系，分外是中间空调循环水体系普遍存在大流量、低服从、高能耗的状态，STS高效节能水泵就是通过建立体系能量平衡测试与计算标准，从循环水泵组、管网、换热设备、制冷设备、冷却塔等各方面入手，进行体系能效分析，根据当前能效指标，结合生产工艺要求，按最佳运行工况参数为体系定制水泵，替代目前低服从运行的水泵，消弭因体系配置不合理而引起的高能耗，以达到最佳节能的目的，一样平常节电率可达到20%。
产品特点1）量身定测定做使水泵能正好处在最佳工况点运行。
2）服从曲线优胜，高效区范围宽，更能够适应负荷转变。
3）用先辈的流体力学计算方法及CAD设计的水力模型处于世界先辈水平。
4）水泵机械性能杰出，所有零部件经过高精度加工，水泵服从比常规高10%以上。
5）水泵电机寿命长、震荡小、噪音低，电机服从比常规高2%以上。
6）产品性能稳固、节能效益明显，综合节电率可达到20%以上。
三元流技术与变频技术的区别三元流技术和变频技术对水泵都可达到节能目的，只是变频技术是在针对电机，根据用水负载的转变，来调整电机输出功率；而三元流技术是针对叶轮，目的是进步叶轮的现实工作服从。
对于变负载的水泵机组，要想充分节能，最好是两项节能技术都实施，对于相对恒定负载的水泵机组，变频技术就没有效武之地，只能采用三元流节能技术。
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离心水泵叶轮的三元流技术原理及应用
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“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”理论结合离心泵的实际流量、扬程等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，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、bfg c是两个相邻的叶片, dcnghid 是叶轮前盖板, bkf eja 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 abcd efgh, 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。
图 1 叶轮、圆柱坐标 (R、Φ、Z) 及流动速度 X
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。
图 2 射流-尾迹模型
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。
图 3 叶片形状的差别
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 a 1、d 1、h则扭曲度小, 有时 a1 与 d 1 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．水泵改造方式的比较
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, 换装在原泵体内, 这是投入最少、简单易行、见效最快的改造方式。
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。
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: 而且可以实现在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。
水泵制造厂对在用泵不符合使用要求时, 可以采用的方式只有切割叶轮, 或整体更换新泵。
切割叶轮是对流量、扬程都减少时使用的方法。
此时电机功率会减少, 人们往往以为这样是节能了。
但要知道由于流量的减少, 单耗 (吨水电耗 )不但不减,有时还会增大, 因此水泵自身的水力效率是下降的。
换装新泵, 由于管路、底座甚至电路、电机都要改变,不但周期长, 投资大, 不是万不得已不宜采用。
特别是对于要求泵扬程减少, 流量增大, 或扬程、流量都在电机许用功率条件下一起增大的情况, 切割叶轮是无法应用的。
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。
5. 改造实例
5.1 项目简介
2010年5月，对玉溪汇溪金属铸造制
品有限公司（汇钢）厂区内重点能耗设备进
行了节能检测（主要是制氧厂、轧钢厂、炼
钢厂、炼铁厂内），根据检测数据，提出了
检测报告及可行性节能改造方案。
与汇钢于
2010年8月成功签订关于“水泵叶轮节能
改造服务”的工矿产品/服务购销合同后，
又于2010年12月续签二期节能改造合同。
采用“射流—尾迹三元流动理论”水泵高效节能技术，一期项目对10台循环泵采用三元流技术进行改造，二期项
目对2台高压循环泵进行安全及节能改造。
5.2 改造效果
5.2.1 一期改造项目
说明：1、年节电量：其中运行时间按照11个月（335天）计算。
2、电价按0.5元/度计算。
5.2.2 二期改造项目
炼钢厂6#方坯结晶器的2台KQSN300-N4/665(T)高压循环水泵（1用1备），改造前泵配用电机严重过流，电机过度发热，随时有被烧坏的可能。
汇钢曾邀请电机和水泵厂家分析，厂家技术员提出了更换电机、水泵的方案，但该方案直接影响汇钢的生产、更换工作量大、且一次性投资高。
我公司检测、分析该泵组的运行情况后，提出了采用“射流—尾迹三元流动理论”进行设计、改造的解决方案。
管网结构图
采用我公司“射流—尾迹三元流动理论”进行节能改造，在不动设备基础、管路和电机的情况下，确保改造后流量、扬程满足生产工况需求的前提下，既解决了电机过流、发热严重的问题，还取得预期的节能效果：
附件：图片
炼钢厂泵房炼铁厂泵房
原形叶轮拆卸三元流叶轮安装。