[求助] 有谁知道"三元流"设计水泵叶轮 三元, 水泵, 叶轮, quot, 设计

经常有看到"三元流"设计的高效水泵,有谁了解吗?

不管是什么方法设计的叶轮，都存在一个设计结果好和差的问题，三元设计也是看设计师的水平了

设计时是先用常用的方法设计，用三元理论来检验性能好坏。

射流—尾迹全三元流动理论是著名科学家、中国科学院院士吴仲华二十世纪五十年代在美国创立的。二十世纪七十年代电子计算机得到有效应用后，这一理论被广泛应用于美国的航空燃气轮机设计。西方各大发动机制造公司和国际航空界称之为“吴氏理论”或“吴式方程”；在国际学术界吴仲华被公认为叶轮机械全三元流动（射流—尾迹全三元）理论的奠基人。

水泵由电机等原动机带动泵叶轮旋转，将原动机的机械能转变为被输送流体的动能和压力能。在与叶轮同步旋转的空间坐标系（R、、Z）中，任何空间一点均可由此坐标系确定。任何一点的流速W可表示为该点坐标的函数，这就是全三元流动的基本概念。要求计算图（1）流道中任何空间一点的流速W,这就是全三元流动解法。也就是说通过全三元流动计算，可以得到水泵内任意点的流速。

在航空用离心压气机中，用激光测速技术观察到射流—尾迹现象；在水泵叶轮试验中，发现了同样的现象。在流道出口附近出现了一个低能量流动区，它类似于一个旋涡，称之为尾迹；其主流部分出口流速W可按全三元流动理论作无粘性位流计算得出，这部分称之为射流。尾迹的出现，不但降低了叶轮的水力效率；而且因减少了有效通流面积，也使泵的流量减少。

控制尾迹区成为改进水力效率设计的一个重要目标，以前人们对此是毫无所知。我们通过水泵设计软件《射流—尾迹全三元流动》对水泵叶轮作了多项、重大技术改进设计，根据用户水泵实际运行工况，以完全满足用户实际运行需要为前提；重新设计、铸造加工可互换的高效率全三元叶轮，置换于原设备壳体内。不动设备基础、电机、管路等，施工简单，见效快。在实际运行中节能效果十分明显。这一方法将会在水泵、风机的节能改造中发挥举足轻重的作用。从供水、钢铁、石油、化工等众多用泵大户的反映看，可以说大有用武之地。

全三元技术应用，就是采用国际上最前沿的泵水力性能解决方案，通过使用水泵设计软件《射流—尾迹全三元流动》；重新进行水泵内水力部件（主要是叶轮）的优化设计；然后进行铸造、加工和更换，提高泵效率，减少能耗。
        我们可以针对现场实际工况及使用要求，对水泵进行如下四种节能改造
        ⑴ 提高单泵压力同时提高汇管压力；
        ⑵ 增加单泵流量同时增加汇管流量；
        ⑶ 同时提高压力和增加流量（电机功率许可前提下）；
        ⑷ 保证流量和压力不变的情况下降低电机工作功率。
        具体流程是根据用户水泵的实际运行工况，首先对在用离心泵的流量、压力、电机耗功等进行测试，提出常年运行的工艺参数要求，以及双方确认；然后使用《射流—尾迹全三元流动》软件设计、铸造、加工出全三元水泵叶轮；保证可以和原型水泵互换，在不动管路、电路、泵体等条件下，更换叶轮；最后在同样测试条件下，对改型水泵进行测试比较，若效果不太理想，结合实际对叶轮作微调，即可达到预期目标。                                                                                                      
        目前国内广泛采用的SH、SA、HS、S、KQS、KSB等型双吸水平中开式水泵，多级泵等都适用全三元技术进行节能改造；其他型水泵暂不适用。

⑴ 叶轮是水泵的心脏,它决定了水泵的扬程、效率的绝大部分，不是工况与设计值差异极大的情况，泵体的影响总是较小的。对于在用水泵，结合其在用的流量、扬程及泵体，设计出可互换的高效率全三元叶轮，置换于原泵内，这是投入最少、见效最快的节能改造方式。
        ⑵ 水泵制造厂或用户对在用水泵不符合使用要求时，可以采用的方式只有切割叶轮；或整体更换新泵。切割叶轮是对流量、扬程都减小时使用的方法，此时电机功率会减小，人们往往以为这样是节能了；但要知道由于流量的减小，单耗（吨水电耗）不但不减，反而还会增加，因此水泵自身的水力效率是下降的。换装新泵，由于管路、底座甚至电路、电机都要改变，不但周期长，投资大，不是万不得已是不宜采用的。特别是对于要求水泵扬程减小，流量增大；或扬程、流量都在电机的功率许可条件下一起增大的情况，切割叶轮是无法应用的。
        ⑶ 变频调速方案它是在降低频率，因而降低电机转速（即水泵转速），使水泵的扬程下降，流量减少。变频调速减小了阀门的节流损失；因而减小了电机功率损耗，是一种节能措施；但如果水泵的运行工况是稳定的（压力、流量稳定），变频调速方案就不可取。只有针对工况变化频繁或较频繁、压力和流量有富裕量的水泵采用变频调速方案才是可取的。
        水泵全三元改造与采用变频调速并不能互相取代。即使采用了变频调速，但是提高水泵效率的问题仍然存在。仍可使用全三元改造（射流—尾迹全三元改造）技术，提高节能的效果。
        综上所述，对在用水泵，应用《射流—尾迹全三元流动》设计高效率可互换的全三元叶轮，无论对工频泵或变频泵都是行之有效的节能改造方案。其投入产出比最优。

根据用户水泵实际运行工况，以完全满足用户实际运行需要为前提；使用《射流—尾迹全三元流动》设计软件，重新设计、铸造加工可互换的高效率全三元叶轮，置换于原设备壳体内。不动设备基础、电机、管路等，施工简单，见效快。

我们对水泵叶轮设计采用国际上最前沿的泵水力性能解决方案，其设计方法是全三元黏性正问题计算与反问题设计迭代法（以下简称全三元设计法），即主要设计流程按照反问题设计-正问题计算-反问题修正设计-正问题计算-反问题优化设计的迭代过程进行。
        全三元黏性正问题计算是根据水泵叶轮和泵体等过流部件的几何尺寸、形状特征以及流体进出口条件，应用全三元CFD理论和技术直接求解泵内流场的特征参数，该方法的主要特点是（1）采用了全三维粘性流体力学模型；（2）求解控制方程组的离散方法采用了适合工程应用的有限体积法；（3）采用提高计算收敛速度的多重网格法；（4）采用成熟的网格划分技术和前后数据处理技术。通过计算可以得到泵内三维粘性流场的速度分布、压力分布及其它流动特征参数，为反问题设计提供真实可靠的理论依据。
        反问题则是根据实际运行需要流量、扬程、功率和效率等工况参数，以及流动控制边界条件等要素，设计出水泵叶轮和蜗壳等过流部件的几何尺寸和形状，从而实现对给定内流流动特征的控制。
        正反混合问题是对单一求解对象的同一求解区域来用正反问题混合求解，设计计算过程往往需要经过多次迭代；或者是同一求解对象的不同区域同时采用正问题或反问题的不同求解方法，从而构成同一对象的正反混合问题。
        我们的全三元水泵设计就是根据上述水泵叶轮研究设计思路，分析研究水泵实际运行工况，对低效率叶轮的叶片形状、叶片进出口几何尺寸、叶轮前后盖板几何形状等要素进行优化设计。改进设计的重点在于根据叶轮内部流动特性的要求，运用全三元设计方法优化叶片的进出安放角、叶片数、扭曲叶片各截面形状等要素，从而避免叶片工作面的流动分离，减少流动损失，提高叶轮的工作效率。另外，叶轮的前后盖板的形状也将直接影响叶轮内的流动的状态，我们在不改动水泵壳体尺寸条件下，利用全三元方法优化前后盖板的局部形状，改善叶轮和蜗壳内部的流动形态，减小流动损失，提高水泵效率。经过上述系列优化改进，将获得水泵内部的最佳流动状态，从而得到最优的叶片形状，最高效率的叶轮。
        我们以流体机械内流计算的基本理论和方程组出发，运用当代计算流体力学（CFD）理论研究的成果，以“理论研究-数值计算-程序校准-产品设计”为发展模式，经历了由理想流体模型到粘性流体模型，一、二元流动到全三元流动的发展过程，形成了从“二元-准三元（S1、S2流面，射流-尾迹模型修正）-全三元势流-全三元黏性流”的研究历程。目前，我们的工作重点是叶轮机械全三元非定常粘性流动的连续方程和N-S方程等偏微分方程所构成的方程组计算方法研究和程序开发，以及全三元反问题的设计方法与计算研究。
        我们先后引进了PHOENICS、FLUENT、NUMECA等商用CFD软件，先后采用“两类流面”理论（吴氏理论，射流-尾迹模型）、“全三维势流流动”和“全三维粘性流动”理论，在涡轮增压器设计、水泵设计、风扇设计以及通风机设计中进行流场分析，并根据分析结果进一步优化设计，提高了叶轮机械的设计水平。
        全三元叶轮与普通叶轮的比较
        根据上述方法重新设计出的全三元叶轮与原一、二元流叶轮有相同安装尺寸（轴孔、键、密封环等），但叶片形状有很大的变化。其区别见叶片图2
       
        左图为叶轮叶片的子午面视图，只画出了双吸叶轮的左半面。右图为一个叶片的前视图。其主要区别在于
        ⑴ 子午流道全三元叶片加宽了许多，特别是轮毂减小，以增大流通能力。
        ⑵ 子午流道全三元叶轮直径减小，而出口宽度增大。
        ⑶ 全三元叶片扭曲度较一元流大很多。
        ⑷ 全三元叶片进口边向来流进口伸展，减少进口损失。
        应当指出叶轮的这种变化，实际上是将原水泵改变成一种全新的高效率水泵。

安徽泉盛化工有限公司是安徽定远化肥行业的龙头企业。泉盛公司尿素车间循环、冷却水系统有250S65型循环、冷却水泵4台，开3备1，全天24小时运行；用于化肥生产工艺设备的循环和冷却。
        2007年11月本公司对该系统实施了节能改造，在水泵壳体保持不变的前提下更换全三元叶轮。改造前、后的主要工艺参数如下
        改造前（单泵）出口压力053Mpa，流量600m3／h，电机实际功率152KW；汇管压力048Mpa，流量1800m3／h。
        改造后（单泵）出口压力0535Mpa，流量620m3／h，电机实际功率130KW；汇管压力0485Mpa，流量1860m3／h。水泵效率由改造前的55％，提高至75％；实际提高20％。
该系统年节约电量555万KWH

以上是我找到的部分关于三元流的资料。你可以参考一下。

题外话
我公司有一个分厂准备实施，但还在预演阶段。

相关的资料，你在baidu上输入三元流，可以搜索出一堆，但如何设计，需要很多东西

谢谢jianhua 的分享！

不用谢，我也是举手之劳，这些资料也是别人给我的。

Mobi，你也是进行泵类设备维护的吗？

回复 jianhua


    我大概计算下，你所述水泵流量600   扬程54   转速1480的情况下，NS78左右，水泵的效率应该达到80%，我们现在尚未应用三元设计，水泵的效率就可以达到81%，假如所配电机160KW话，资料提供的水泵经过三元后，水泵的效率估计是746%，在我们这里属于不合格产品了