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目前，節(jié)能降耗已成為全國各行各業(yè)，特別是高耗能企業(yè)的重要任務。我國已把節(jié)能降耗提到了國民經(jīng)濟發(fā)展非常重要的位置。離心泵是把原動機的機械能通過離心泵葉輪產(chǎn)生的離心力使液體產(chǎn)生動能，從而達到輸送液體的目的，它廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域。因此，通過優(yōu)化離心泵的性能做好離心泵的節(jié)能工作，是節(jié)能降耗中至關重要的一環(huán)。

1三元流技術概述

我國離心泵多年來一直采用一元流理論設計離心泵葉輪，它的設計理念是假定進出口流通截面及流道內(nèi)部任何流通截面的水流分布是均勻的，而流速僅為一個自變量的函數(shù)。據(jù)此而設計出葉片的幾何形狀，制作出多種模型進行試驗，擇優(yōu)選用。由于離心泵在不同工況下其流量、壓力變化范圍很大，而這種葉輪的模型只能是有限的數(shù)種，因而無法保證優(yōu)選模型與實際工況一致。這就導致離心泵葉輪偏離設計最佳效率點，進而影響泵的實用效率。我國科學家吳仲華教授創(chuàng)立的S1、S2兩類流面概念，奠定了葉輪機械三元流動理論的基礎，中科院研究員劉殿魁教授于1986年提出了《葉輪機械內(nèi)含射流—尾跡的完全三元流的解法》。應用這一計算方法對葉輪流道進行設計，有效地解決了尾跡區(qū)的影響，提高了葉輪的水力效力，同時增大了有效流通面積，提高了離心泵的工作效率。離心泵的水力效率受水泵葉輪的進口輪徑、出口輪徑、輪轂比、子午流道的曲率變化、葉型中心線的形狀、葉片厚度分布、安裝角、進口角、出口角及泵的工作流量、壓力變化等多種因素的影響。而根據(jù)《射流—尾跡三元流動理論》結(jié)合離心泵在使用中的流量、揚程等具體參數(shù)設計制作的高效三元流葉輪，在不變動泵體安裝結(jié)構(gòu)的情況下，換裝于原泵體內(nèi)。以投資最少，見效最快的技改方式，達到節(jié)能降耗的目的。

2三元流技術原理

三元流技術，實質(zhì)上就是通過使用先進的泵設計軟件《射流—尾跡三元流動理論計算方法》，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際的運行工況，重新進行泵內(nèi)水力部件（主要是葉輪）的優(yōu)化設計。具體步驟是：先對“在用”離心泵的流量、壓力、電機耗功等進行測試，并提出常年運行的工藝參數(shù)要求，作為泵的設計參數(shù)；再使用泵設計軟件設計出新葉輪，保證可以和原型互換，在不動管路電路、泵體等條件下實現(xiàn)節(jié)能或擴大生產(chǎn)能力的目標。

2.1一元、三元流動基本概念

下頁圖1左邊是葉輪的局部視圖，右邊是把葉輪內(nèi)兩個相鄰葉片和前、后蓋板形成的流道abcdefgh作為一個計算分析研究的單元。aehd、bfgc是兩個相鄰的葉片，dcnghid是葉輪前蓋板，bkfeja是葉輪后蓋板。傳統(tǒng)的“一元流理論”就是把葉輪內(nèi)的曲形流道abcdefgh，視為一個截面變化的彎曲流管，認為沿流線的流速大小僅隨截面大小而變化，但假定在每個橫斷面上如abcd、ijkn、efgh等，流速是相同的。這樣在流體力學計算中，流動速度（w）就只是流線長度坐標（s）的一元函數(shù)。這種簡化使泵內(nèi)部流體力學的計算可以用手工算法得以實現(xiàn)。國內(nèi)采用的雙吸水平中開泵，就是采用這種理論設計的。然而由于葉輪流道abcdefgh的三元曲線形狀又是高速旋轉(zhuǎn)的，流速（或壓力）不但沿流線變化，而且沿橫截面abcd，ijkn、efgh等等，任何一點都是不相同的，即流速是三元空間圓柱坐標（R、Φ、Z的函數(shù)）。特別是葉片數(shù)也是有限的，流速和壓力沿旋轉(zhuǎn)周向（Φ坐標）的變化，正是水泵向流體輸入功的最終體現(xiàn)。忽略這一點就無法計算水泵內(nèi)部的壓力變化，這也就是為什么一元流動理論只能計算葉輪進口、出口參數(shù)，而不能準確分析葉輪內(nèi)部流動參數(shù)的原因。水泵的效率顯然與其內(nèi)部流動狀況的好壞是密不可分的，一元流理論固然簡單，但不能完全反映泵內(nèi)的真實流動，這就在設計上阻礙了泵效率的提高。

2.2“射流—尾跡”

三元流動最早在航空用離心壓氣機中，用激光測速技術觀察到“射流—尾跡”現(xiàn)象，如圖2所示，弧狀彎曲線dh和cg分別代表兩個相鄰的葉片，dc為葉片進口邊，hg為葉片出口邊，w1為葉片進口流速，w2為葉片出口流速，都是不均勻的。t是流動分離點，htv即是尾跡區(qū)，是一些低能量流體組成，類似一個旋渦。cdtvg則是射流區(qū)可視為無黏性的位流區(qū)，可按通常的三元流計算。下面把差別較大的幾點加以描述：如圖3所示，葉輪的子午流道形狀，對應于圖1中的葉片位置，依次為進口、出口、葉輪前蓋板內(nèi)壁型線、葉輪后蓋板壁面型線。實線為三元流葉輪，虛線為傳統(tǒng)一元流葉輪。前者軸向向進口方向延伸軸向?qū)挾却?，造成流動損失盡可能小的進口條件，使泵的效率和氣蝕性能得以改善。葉片在垂直軸線Z的平面上投影為adh曲面由于Φ角的改變可以看到三元流葉片扭曲顯著，而一元流葉片a1、d1、h則扭曲度小，有時a1與d1重合，葉片完全不扭曲，而只是一個板式彎曲形葉片我們稱之為直葉片。當然，針對具體的設計，三元流設計的葉片進出口尺寸可能與一元流均不同，甚至葉片數(shù)目也不相同，不一一描述。

3水泵技改方式的比較

葉輪是水泵的心臟，它決定了泵的揚程、效率的絕大部分，泵體的影響較小。對于在用泵，結(jié)合其在用的流量、揚程及泵體，設計出可互換的高效率三元流葉輪，換裝原泵內(nèi)，這是投入最少、簡單易行、見效最快的技改方式。在實際生產(chǎn)運行中，由于離心泵不符合使用要求，往往采用切割葉輪的方式來解決。這種方法實際上是減少了泵的流量和揚程，此時電機功率會減少。但由于流量的減少，離心泵的水力效率下降，單耗增大，并沒有起到節(jié)能的目的。而目前推廣的變頻調(diào)速方案，是通過降低頻率來降低電機、離心泵轉(zhuǎn)速，從而使離心泵的流量和揚程下降，以減少電機功率損耗和閥門節(jié)流損失，達到一定的節(jié)能目的，離心泵的水力效率并沒有得到提高。且投資大，使用、維護費用較高，適宜于工況變化頻繁的情況下使用。河南延化化工有限公司是歷經(jīng)30年發(fā)展起來的中型氮肥企業(yè)。生產(chǎn)系統(tǒng)使用的離心泵均為一元流結(jié)構(gòu)，配用電機常年超負荷運行，電機易燒毀，維護工作量大，電耗及其它費用居高不下，對公司節(jié)能增效影響很大。通過對節(jié)能手段的分析論證后，采用了依據(jù)《射流—尾跡三元流動理論》，結(jié)合公司各工段實際運行參數(shù)設計制造的新型葉輪，先后對尿素循環(huán)水泵和合成氨循環(huán)水泵實施了技術改造。在不變動工藝管線，確保生產(chǎn)工況不變的情況下，通過換裝新型葉輪，使設備運行得到徹底優(yōu)化。公司已對24臺循環(huán)水泵進行了技術改造，其中17臺泵運行，7臺備用。完成改造后未出現(xiàn)因超負荷而燒毀電機的現(xiàn)象，維護工作量和維修費用明顯下降，特別是電耗大幅度下降，具體檢測數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)過計算每年可節(jié)約電費達146.77萬元。通過使用三元流葉輪，提高了離心泵的工作效率，從而取得了可觀的經(jīng)濟效益，達到了節(jié)能降耗的目的。

4結(jié)論

經(jīng)過上面的理論介紹與分析，以及改造實例，證明射流—尾跡三元流動理論在水泵設計方面具有顯著優(yōu)勢，通過此技術直接對水泵的葉輪改造，不但能夠提高水泵的運行效率，實現(xiàn)節(jié)能：而且可以實現(xiàn)“保證電機不超載的情況下，改變揚程，大幅提高流量”的技術目標。綜上所述，對在用的水泵，使用三元流動理論設計高效率可互換的葉輪，無論對工頻泵或變頻泵都是行之有效的節(jié)能技改方案，其投入產(chǎn)出比最優(yōu)。