離心水泵葉輪的三元流技術(shù)原理及應(yīng)用

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1、離心水泵葉輪的三元流技術(shù)原理及應(yīng)用目前,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(wù)。我國已把節(jié)能降耗提到了國民經(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)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)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(guān)重要的一環(huán)。1．三元流技術(shù)概述我國離心泵多年來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

2、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(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)“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

3、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)合離心泵的實(shí)際流量、揚(yáng)程等參數(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)上就是通過使用先進(jìn)的泵設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實(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

4、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)。72.1一元、三元流動(dòng)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(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)就只是流線長度坐標(biāo)(S)的一元函

5、數(shù)。這種簡化使泵內(nèi)部流體力學(xué)的計(jì)算可以用手工算法得以實(shí)現(xiàn)。國內(nèi)采用的雙吸水平中開泵,就是采用這種理論設(shè)計(jì)的。圖1葉輪、圓柱坐標(biāo)(R、Φ、Z)及流動(dòng)速度X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

6、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)可視為無黏性的位流區(qū),可按通常的三元流計(jì)算。7圖2射流-尾跡模型下面把差別較大的幾點(diǎn)加以描述:如圖

7、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?造成流動(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。圖3葉片形狀的差別葉片在垂直軸線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

8、。3．水泵改造方式的比較