高效三元流技術對高揚程大流量離心泵葉輪的節(jié)能改造*

趙文輝

(甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅景泰 730400)

0 引言

甘肅省景電工程一期泵站裝有16臺32Sh-9型雙吸離心泵，這些泵是保證景泰川灌區(qū)30萬畝農(nóng)田和20萬人畜飲水的關鍵設備。由于設備屬20世紀60～70年代產(chǎn)品，設計制造水平落后，其設計參數(shù)為［1］:流量2 m3/s，揚程 82 m，轉速 750 r/min，配套功率2 000 kW，性能曲線圖如圖1所示。

圖1 32Sh-9型水泵性能曲線圖

實際運行中流量為1.87m3/s，電流為220A，效率為72.94%。經(jīng)檢測計算，水泵效率與裝置效率偏低，實際運行中耗電量大，提水量小，且在偏離工況點小流量區(qū)運行。

根據(jù)目前國內(nèi)外雙吸離心泵設計制造水平，這些水泵已屬低效高耗設備，實際運行中要付出高昂的電費且提水量不能滿足設計要求和灌區(qū)需求。由此，必須對現(xiàn)有16臺32Sh-9水泵進行更新改造，以達到系統(tǒng)節(jié)能降耗、降低成本、滿足提水量的要求。進行技術改造的途徑有兩條:一是選擇性能優(yōu)越的水泵進行更新改造;二是對水泵的水力性能進行技術改造升級［2］。前者投資巨大且周期長，而后者投資小見效快。所以，應用三元流技術對32Sh-9水泵葉輪進行技術改造無疑是最佳選擇。

1 三元流技術基本原理

水泵的運行效率與泵體內(nèi)部流體流動狀況是密不可分的，而傳統(tǒng)的一元流結構不能準確而反映泵體內(nèi)液體的真實流動狀態(tài)，從而在設計上就導致了泵的效率偏低。三元流的設計理念就是通過三元射流——尾跡流動計算，對因流體粘性和泵體內(nèi)部壓力梯度引起的流體流動狀態(tài)進行定量分析，進而改善葉輪內(nèi)流體的流動狀態(tài)，減小進口沖擊、出口尾跡脫流等損失，使泵效率得以提高。

三元流葉輪與傳統(tǒng)二元流葉輪的比較:三元流葉輪與原二元流葉輪除安裝尺寸(軸孔、鍵、密封環(huán))相同，但其葉片形狀發(fā)生了很大的變化(見圖2、圖3)。

由圖2、3可知兩者的區(qū)別:①三元流葉輪葉片加寬了許多，特別是輪轂減少使流通能力增大;②三元流葉輪直徑減少了，而出口寬度增大;③三元流葉片的扭曲度較一元流的大很多;④三元流葉片進口邊向來流進口伸展，減少了進口損失。

反映到水泵的效率曲線和特性曲線上，就是三元流可以根據(jù)現(xiàn)有的運行狀態(tài)，設計時改變水泵的特性曲線，使其變得平滑，同時可以將效率曲線向右平移，以適應工況發(fā)生變化時效率達到最大化。

圖2 雙吸葉輪葉片的子午面視圖

圖3 葉片前視圖

2 三元流技術對32Sh-9離心泵葉輪的改造

應用三元流技術對32Sh-9離心泵高效改造實際就是量身設計制造新的葉輪在原泵上進行更換。實施步驟如下。

(1)通過對原葉輪進行完整的測繪和泵體局部測繪工作，特別是對有關配合尺寸的準確測量，如軸向、徑向的裝配要求等;另外對蝸殼、隔舌等相關尺寸進行測量，獲得原泵的基本結構型式、尺寸參數(shù)，32Sh-9水泵關鍵尺寸為:葉輪外徑1 055 mm，葉輪出口寬度為168 mm，葉輪進口直徑為560 mm，葉輪密封環(huán)直徑為 580 mm，軸徑 180 mm，蝸殼寬度為 336 mm。

(2)設定目標值。設定目標值及原結構型式和尺寸參數(shù)通過CFD法，應用三元流技術對包括吸入室、蝸殼和葉輪的內(nèi)部流場進行內(nèi)部流動規(guī)律分析、數(shù)值模擬和性能預測，從而為三元流技術改造葉輪提供實際目標值和最佳選擇參數(shù)。應用三元流技術設計新葉輪參數(shù)為:直徑1 040 mm，出口寬度為180 mm，其它配合尺寸與原葉輪一致。

(3)葉輪的加工成型。高效三元流技術設計的葉輪具有復雜的曲面，傳統(tǒng)的機械工業(yè)等技術手段難以滿足。選擇計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工藝規(guī)劃(CAPP)和計算機輔助制造(CAM)的一體化的柔性自動化機械加工中心，加工完成三元流技術葉輪精密產(chǎn)品，以滿足技術改造目標最佳體現(xiàn)。加工成形的葉輪如圖4所示。

(4)選擇一期工程一泵站6#機位水泵進行葉輪更換，準備試運行。用配合尺寸不變、配套功率不變、其它零配件不變，只需拆下舊葉輪換上新的三元流技術改造加工的新葉輪即可投入試運行。

圖4 改造后的葉輪實物圖

3 改造前后的性能在線監(jiān)測及節(jié)能效果分析

(1)改造前6#機組測試數(shù)據(jù)及計算結果如下。

配套功率2000kW功率因數(shù)φ=0.902，計算式如下［3］:

式中:η泵為水泵效率;ρ為水的密度，kg/m3;g為每千克水的重力;Q為水泵的平均流量，m3/s;H為水泵揚程，m;U為電動機工作電壓，kV;I為電動機工作電流，A;cosφ為功率因數(shù);η電機為電動機效率;η傳為傳動效率。

其計算結果如表1所列。

表1 改造前6#機測試數(shù)據(jù)及計算結果

(2)改造后6#機組配套功率、電壓及管路和其它附設均不變的情況下，運行72 h后測試數(shù)據(jù)及計算結果如表2所列。

表2 改造后6#機測試數(shù)據(jù)及計算結果

由改造前后計算結果對比看出，改造后實際運行點處電流減少了8A，效率提高了12個百分點。按年運行天數(shù)200天計，單臺機節(jié)電量為:

4 結語

應用三元流技術對高揚程大流量離心泵葉輪進行改造，是不需要更換水泵等設備，在投資最省的情況下達到節(jié)能的最有效方法。

(1)通過對6#機組改造后機組運行平穩(wěn)可靠，各項參數(shù)更符合生產(chǎn)需求。

(2)改造后水泵的效率提高了12個百分點，大幅降低了能源單耗，取得了顯著地節(jié)能效果。

(3)應用三元流技術對現(xiàn)有水泵葉輪進行改造以其投資省、周期短、節(jié)能效果顯著的特點和優(yōu)勢，在同類工程或系統(tǒng)中具有較大的推廣價值和借鑒意義。

［1］ 蘭州水泵總廠.32Sh-9型水泵性能實驗報告［R］.1999.

［2］ 關醒凡.現(xiàn)代泵技術手冊［M］.北京:宇航出版社，1995.

［3］ 丘傳忻.泵站工程［M］.武漢:武漢大學出版社，2001.