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目前，節(jié)能降耗已成為全國(guó)各行各業(yè)，特別是高耗能企業(yè)的重要任務(wù)。我國(guó)已把節(jié)能降耗提到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常重要的位置。離心泵是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能通過(guò)離心泵葉輪產(chǎn)生的離心力使液體產(chǎn)生動(dòng)能，從而達(dá)到輸送液體的目的，它廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。因此，通過(guò)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(guān)重要的一環(huán)。

1三元流技術(shù)概述

我國(guó)離心泵多年來(lái)一直采用一元流理論設(shè)計(jì)離心泵葉輪，它的設(shè)計(jì)理念是假定進(jìn)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(gè)自變量的函數(shù)。據(jù)此而設(shè)計(jì)出葉片的幾何形狀，制作出多種模型進(jìn)行試驗(yàn)，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(wú)法保證優(yōu)選模型與實(shí)際工況一致。這就導(dǎo)致離心泵葉輪偏離設(shè)計(jì)最佳效率點(diǎn)，進(jìn)而影響泵的實(shí)用效率。我國(guó)科學(xué)家吳仲華教授創(chuàng)立的S1、S2兩類流面概念，奠定了葉輪機(jī)械三元流動(dòng)理論的基礎(chǔ)，中科院研究員劉殿魁教授于1986年提出了《葉輪機(jī)械內(nèi)含射流—尾跡的完全三元流的解法》。應(yīng)用這一計(jì)算方法對(duì)葉輪流道進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(shí)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(jìn)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(jìn)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(dòng)理論》結(jié)合離心泵在使用中的流量、揚(yáng)程等具體參數(shù)設(shè)計(jì)制作的高效三元流葉輪，在不變動(dòng)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(jiàn)效最快的技改方式，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2三元流技術(shù)原理

三元流技術(shù)，實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)使用先進(jìn)的泵設(shè)計(jì)軟件《射流—尾跡三元流動(dòng)理論計(jì)算方法》，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)行工況，重新進(jìn)行泵內(nèi)水力部件（主要是葉輪）的優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體步驟是：先對(duì)“在用”離心泵的流量、壓力、電機(jī)耗功等進(jìn)行測(cè)試，并提出常年運(yùn)行的工藝參數(shù)要求，作為泵的設(shè)計(jì)參數(shù)；再使用泵設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出新葉輪，保證可以和原型互換，在不動(dòng)管路電路、泵體等條件下實(shí)現(xiàn)節(jié)能或擴(kuò)大生產(chǎn)能力的目標(biāo)。

2.1一元、三元流動(dòng)基本概念

下頁(yè)圖1左邊是葉輪的局部視圖，右邊是把葉輪內(nèi)兩個(gè)相鄰葉片和前、后蓋板形成的流道abcdefgh作為一個(gè)計(jì)算分析研究的單元。aehd、bfgc是兩個(gè)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(gè)截面變化的彎曲流管，認(rèn)為沿流線的流速大小僅隨截面大小而變化，但假定在每個(gè)橫斷面上如abcd、ijkn、efgh等，流速是相同的。這樣在流體力學(xué)計(jì)算中，流動(dòng)速度（w）就只是流線長(zhǎng)度坐標(biāo)（s）的一元函數(shù)。這種簡(jiǎn)化使泵內(nèi)部流體力學(xué)的計(jì)算可以用手工算法得以實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)采用的雙吸水平中開(kāi)泵，就是采用這種理論設(shè)計(jì)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(diǎn)都是不相同的，即流速是三元空間圓柱坐標(biāo)（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(biāo)）的變化，正是水泵向流體輸入功的最終體現(xiàn)。忽略這一點(diǎn)就無(wú)法計(jì)算水泵內(nèi)部的壓力變化，這也就是為什么一元流動(dòng)理論只能計(jì)算葉輪進(jìn)口、出口參數(shù)，而不能準(zhǔn)確分析葉輪內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)的原因。水泵的效率顯然與其內(nèi)部流動(dòng)狀況的好壞是密不可分的，一元流理論固然簡(jiǎn)單，但不能完全反映泵內(nèi)的真實(shí)流動(dòng)，這就在設(shè)計(jì)上阻礙了泵效率的提高。

2.2“射流—尾跡”

三元流動(dòng)最早在航空用離心壓氣機(jī)中，用激光測(cè)速技術(shù)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(gè)相鄰的葉片，dc為葉片進(jìn)口邊，hg為葉片出口邊，w1為葉片進(jìn)口流速，w2為葉片出口流速，都是不均勻的。t是流動(dòng)分離點(diǎn)，htv即是尾跡區(qū)，是一些低能量流體組成，類似一個(gè)旋渦。cdtvg則是射流區(qū)可視為無(wú)黏性的位流區(qū)，可按通常的三元流計(jì)算。下面把差別較大的幾點(diǎn)加以描述：如圖3所示，葉輪的子午流道形狀，對(duì)應(yīng)于圖1中的葉片位置，依次為進(jìn)口、出口、葉輪前蓋板內(nèi)壁型線、葉輪后蓋板壁面型線。實(shí)線為三元流葉輪，虛線為傳統(tǒng)一元流葉輪。前者軸向向進(jìn)口方向延伸軸向?qū)挾却?，造成流?dòng)損失盡可能小的進(jìn)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(shí)a1與d1重合，葉片完全不扭曲，而只是一個(gè)板式彎曲形葉片我們稱之為直葉片。當(dāng)然，針對(duì)具體的設(shè)計(jì)，三元流設(shè)計(jì)的葉片進(jìn)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(yáng)程、效率的絕大部分，泵體的影響較小。對(duì)于在用泵，結(jié)合其在用的流量、揚(yáng)程及泵體，設(shè)計(jì)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(jiǎn)單易行、見(jiàn)效最快的技改方式。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)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(lái)解決。這種方法實(shí)際上是減少了泵的流量和揚(yáng)程，此時(shí)電機(jī)功率會(huì)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(méi)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(guò)降低頻率來(lái)降低電機(jī)、離心泵轉(zhuǎn)速，從而使離心泵的流量和揚(yáng)程下降，以減少電機(jī)功率損耗和閥門節(jié)流損失，達(dá)到一定的節(jié)能目的，離心泵的水力效率并沒(méi)有得到提高。且投資大，使用、維護(hù)費(fèi)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(lái)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(jī)常年超負(fù)荷運(yùn)行，電機(jī)易燒毀，維護(hù)工作量大，電耗及其它費(fèi)用居高不下，對(duì)公司節(jié)能增效影響很大。通過(guò)對(duì)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(dòng)理論》，結(jié)合公司各工段實(shí)際運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)制造的新型葉輪，先后對(duì)尿素循環(huán)水泵和合成氨循環(huán)水泵實(shí)施了技術(shù)改造。在不變動(dòng)工藝管線，確保生產(chǎn)工況不變的情況下，通過(guò)換裝新型葉輪，使設(shè)備運(yùn)行得到徹底優(yōu)化。公司已對(duì)24臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)行了技術(shù)改造，其中17臺(tái)泵運(yùn)行，7臺(tái)備用。完成改造后未出現(xiàn)因超負(fù)荷而燒毀電機(jī)的現(xiàn)象，維護(hù)工作量和維修費(fèi)用明顯下降，特別是電耗大幅度下降，具體檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)計(jì)算每年可節(jié)約電費(fèi)達(dá)146.77萬(wàn)元。通過(guò)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(jì)效益，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

4結(jié)論

經(jīng)過(guò)上面的理論介紹與分析，以及改造實(shí)例，證明射流—尾跡三元流動(dòng)理論在水泵設(shè)計(jì)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，通過(guò)此技術(shù)直接對(duì)水泵的葉輪改造，不但能夠提高水泵的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能：而且可以實(shí)現(xiàn)“保證電機(jī)不超載的情況下，改變揚(yáng)程，大幅提高流量”的技術(shù)目標(biāo)。綜上所述，對(duì)在用的水泵，使用三元流動(dòng)理論設(shè)計(jì)高效率可互換的葉輪，無(wú)論對(duì)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)。