浅析离心泵叶轮基于三元流理论的节能改造

浅析离心泵叶轮基于三元流理论的节能改造
摘要：闸述了离心泵三元流叶轮节能技术的应用改造情况。

三元流叶轮应用于
离心泵实际工况与设计工况不吻合情况下的节能改造，具有投资少、见效快，实
施方便，节能显著等特点。

1 概述
大庆炼化公司润滑油厂石蜡成型车间粒蜡冷却系统由于近两年增加了生产线、离心泵运行时间过长等原因导致设计工况与实际工况不相符，造成离心泵运行效
率低，浪费不少电能。

针对上述能源浪费情况，车间对离心泵进行技术改造，公司与大连里欧华能
泵业有限公司合作，应用三元流理论对叶轮进行改造，取得了一定的节能效果。

2 离心泵效率提升改造的技术理论
2.1离心泵工作原理及结构
我们的生活和工业生产离不开各种各样的泵，特别是化工类企业，处处都有
不同的泵在用于满足我们企业功能的实现和需要。

泵是一种进行能量转换的通用
设施，它能把动力机如电机、马达等的机械能或者其它形式能源的能量传递给所
输送的流体介质，达到流体势能增加的目的，从而可把各种液体流体从低处输送
到高处，或从一处抽送到另外一处。

泵主要用来传输水、油等液体，亦可输送由
气液构成的混合物或者带有部分细小颗粒物的液体。

泵的种类众多，根据工作原理一般可分为动力式泵（含离心泵）、容积式泵
和其他类型泵三大类。

而离心泵是用装在泵壳内被电机带动的叶轮做高速旋转运动产生的离心力来
进行工作的设备，其工作原理为先将输送物料灌满泵壳和泵入口管道，然后，启
动动力设施，使叶轮和进入泵壳内的液体作高速的旋转运动，此时，液体由于受
到强大的离心力作用而被甩出叶轮流道，再由蜗形泵壳中的固定流道而进入泵出
口管（也叫做压水管道）。

这时候，泵叶轮吸入口由于该处介质受强大离心力作
用被甩出继而成为了真空状态，在该瞬间真空的引导下，输送介质沿着泵入口管
而迅速、完全地流入到叶轮的吸入口，再一次受到叶轮的作用，被甩出后进入泵
的出口管。

由此，就完成了离心泵的连续输送功能。

离心泵的分类根据不同原则有不同划分。

如按叶轮数目可分为：1）单级泵：即在泵轴上只有一个叶轮，较常见；2）多级泵：在泵轴上安装有两个或多个叶轮，多用于高扬程场合，因此时泵的总扬程为多个叶轮产生的扬程总和。

按工作压力可分为：1）低压泵：压力低于100米水柱；2）中压泵：压力在100-650米水柱之间；3）高压泵：压力高于650米水柱。

按叶轮吸入方式可分为：1）单侧进水式泵：又称为单吸泵，即泵仅有一个多位于轴线上的入水口；2）双侧进水式泵：又叫做双吸泵，即泵壳的两侧各有一
个独立进水口。

它的输送能力要比单吸泵大，可简单的当成是二个单侧进水泵的
叶轮串接地安装在同一根轴上使用。

按泵壳结合可分为：1）水平中开式泵：即在通过泵轴线的水平面上设有一圈结合缝；2）垂直结合面泵：即结合面与泵的轴线互相垂直。

按泵轴位置可分为：1）卧式泵：泵轴位于水平位置；2）立式泵：泵轴位于
垂直位置。

等等。

2.2三元流技术原理
三元流技术，真实的把水泵中内部流体运动根据复杂多变的三维立体思想反
映出来，进行全面的分析，然后采用技术前沿的模型《射流一尾迹三元流动理论
计算方法》，根据具体的企业生产需求指标，开展泵内过流部件（泵叶轮）的使
用效率提升设计。

一般流程是：先把需改造泵的运行量、扬程、电流和出口阀门
开度等指标进行采集，并明确生产实际需求的工艺操作要求，把这些要求指标作
为新叶轮的设计己知量；再应用泵设计计算软件“再造”叶轮。

改造的前提是新叶
轮满足与旧叶轮的完全互换性，且整个改造不用更换安装底座、电气设施和泵壳等。

通过这种流程，实现降本节能或流量提升的目标。

该理论方法近年才正式引入到水泵的设计中。

离心泵的运行效率决定于泵叶
轮的入口直径、出口直径、子午流道的形状和叶片中心线的形状、叶片的宽度、
叶片的出入口角度、泵运行时的实际流量、输送压力等。

按照《射流一尾迹三元
流动理论》，首先需要与生产企业即水泵应用单位确认水泵在使用中的流量、扬
程等要求工况数据后再用射流一尾迹叶片模型计算加工出高效三元流叶轮，现场
改造施工就是把高效叶轮替换普通叶轮安装在泵壳内，其余部件均不用更换。

这
是一种投资较少、改造简单快捷、见效最快的可达到节能降耗目的的技改方式。

该理论充分利用计算机处理数据量大、运行速度快、处理能力强的特点。

以
前都是采用一元流理论来假定水泵的流场来进行分析和计算。

该方法模型简单，
考虑的水力条件比较少，计算很简化，设计出来的水泵效率也都不高。

而将三元
流技术用于水泵上，主要是根据某个具体的使用点设计出高效率叶轮，在具体的
应用中节能效果突出。

3 改造应用
根据三元流理论反映的真实流动分析，刘殿魁研究员提出了较接近实际应用
的离心泵射流一尾迹模型来求解泵叶轮流道内任一点的流速，依据该结果下一步
就是进行新型叶轮的设计。

水泵开展三元流效率提升改造，主要是应用泵分析计算模型《射流一一尾迹
三元流动理论》。

首先结合生产现场实际，把泵内过流部件一一叶轮按照三元流
模型再设计，然后现场实施新型叶轮替换旧叶轮，该改造是依据现场生产实际量
身打造，让设计与应用很好的匹配。

最主要是该改造保留了原电机、泵体等设施，施工简单，仅通过改变内部叶轮来增大输送流量、提高工作压力；从另一个角度说，同样的输送量和扬程要求，就不需要电机高负荷运行，从而实现了降低电耗
的目的。

具体改造步骤是：首先，在用泵参数采集，如流量、出口压力、出口阀门开度、电机运行电流等，并由使用单位确认需求的操作指标；再依据指标和三元流
设计软件设计出新型高效叶轮，前提是新叶轮安装尺寸和原叶轮一致，达到完全
互换，目的是确保原安装座、电机、泵体等不做改动；新叶轮应用后，同样采集
工况参数，与原叶轮进行比较，评价改造效果。

应用三元流设计出来的叶轮叶片形状比普通叶轮更符合水力模型，其设计参
数又紧贴生产操作，将原泵改造得与应用工况高度匹配，成为高效节能型“新泵”。

4 基于三元流理论的供水泵改造及应用验证
4.1供水泵运行模式及运行时间
石蜡车间粒蜡冷却系统离心泵全年全天运行，2用1备，按全年运行8760小
时计算
4.2水泵技术参数
石蜡车间粒蜡冷却系统离心泵设计参数如表1所示
表1 离心泵设计参数表
5总结
离心泵的应用十分普遍，其效率的提升对节能举措有着十分重要的意义。

广大生产企业特别是大型国企存在许多设计制造较早的离心泵，这些泵运行效率低下，出口阀门开度小，浪费很大，因此节能降耗是当下很有意义的事情。

石蜡成型车间通过对离心泵节能改造的技术方法进行分析比较，给出了合适的方案，采用三元流理论对叶轮改造，并取得了很好的改造成效，达到节能降耗的目的。