三元流葉輪改造技術在灌溉泵站中的應用研究

樊亞龍

0 前言

陜西省東雷二期抽黃大型灌溉泵站位于關中東部渭北旱原臺塬區，設計灌溉面積126.5萬畝，是利用黃河水資源修建的一處多級高揚程大型電力提灌工程。灌區共建設泵站37座，安裝水泵電動機組170套，總裝機功率114.6 MW[1]。由于建設年份較早，水泵采用傳統一維水力設計方法設計，加上運行時經常偏離設計工況點，泵站普遍存在流量衰減、效率低、能耗高等問題。尤其是流量衰減較為嚴重，導致灌溉高峰期難以滿足用水要求。

1 流量衰減問題

此處流量衰減指進水池、管道無明顯堵塞和淤積前提下，水泵運行一段時間后，功率（電流、流量）明顯減小。一般來說，可能引起流量衰減的原因有以下幾點[2]：

（1）軸封、管件接縫處進氣。通常在啟動后較短時間內發生，且不太可能通過關機重啟而消失。

（2）表面吸入渦。通常生在低水位工況下產生，伴有較明顯的壓力脈動和振動，難以通過關機重啟解決。

（3）汽蝕。通常發生在水泵設計不合理、低水位工況，常伴有異常高頻聲音。

（4）流道堵塞。包括管道堵塞和水泵堵塞兩種，管道堵塞一般關機重啟不易恢復，而水泵堵塞可通過關機重啟恢復。

抽黃泵站的流量衰減在關機重啟或者閥門速閉速開后就可以恢復，初步推斷主要原因在于水泵本身。為解決此問題，二黃管理局借助三元流葉輪設計新理念[3]和工程經驗[4-6]，以董家七級泵站作為試點，在不改變其他建筑物和設備的前提下，將原葉輪更換為高效節能型三元流扭曲型葉輪，并對更換前后水泵運行情況進行比較分析。

2 三元流技術改造

2.1 一元流設計理論

一元流可以簡單地看成流體在彎曲的管道內勻速流動。假定進出口流道截面及流道內部任何過流截面的水流是均勻分布的，而流速僅為一個自變量的函數，據此設計出葉片的幾何形狀，制作出多種模型進行試驗，擇優選用。離心泵在不同的工況下，其流量壓力變化范圍很大，這種葉輪的模型只能是有限的數種，因而無法保證優選模型與實際運行工況一致，當偏離設計工況時,葉輪效率極低。由于一元流計算設計簡單、成本低，目前我國仍有水泵廠延用此設計方法。

2.2 二元流設計理論

二元流設計將葉輪流道及流體流態作為變量，只考慮水流從葉片根部到葉片頂部的S面流動，忽略葉片之間的圓柱面內的流動阻力，從而將三維坐標簡化為二維坐標。二元流設計出來的水泵葉輪在工作中沖擊損失、摩擦損失仍然較大，選用二元流水泵過程中的服從性差。

2.3 三元設計理論

1976年版美國權威工具書《泵手冊》把我國科學家吳仲華創立的三元流動理論作為未來可能出現的新設計方法，最初應用在風機葉片設計領域中國，1986年《射流-尾跡三元流動計算》方法用于水泵設計。目前，國內外一些院所和大型水泵公司陸續引進三元流設計方法[7]。

三元流設計理論是把葉輪內部的三元立體空間無限地分割，通過對葉輪流道內各工作點的分析，建立起完整真實的葉輪內流體流動的數學模型。通過三元射流-尾跡流動計算，對因流體粘性和泵體內部壓力梯度引起的流體流動狀態進行定量分析，通過水力優化設計，改善葉輪內流體的流動狀態，使流體沿過流通道呈流線型光順流動，以減小漩渦、進口沖擊和出口尾跡脫流等損失，使泵效率得以提高，高效區更寬。

典型的三元流葉輪設計流場是根據優化前的泵運行特性，如流量，揚程，電流、電壓和出口閥門開度等指標進行采集，結合運行要求的性能指標參數，均作為作為已知參數，進行葉輪的迭代優化設計。由典型三元流葉輪截面相對速度分布（圖1）可以看到，采用三元流設計輪優化后的葉輪內不流場分布均勻，流線平滑光順無漩渦，從而損失較小，且不易產生過度汽蝕現象。

圖1 三元流葉輪流場分布

2.4 三元流技術改造

對水泵的三元流技術改造，是根據現場技術要求，針對實際運行情況，不動電機、管路、安裝位置等，控制葉輪安裝接口尺寸，設計出與原葉輪可互換的非標準葉輪，以達到效率最大化，成本最小化。改造過程為：認真檢測、分析水泵運行工況，測繪原葉輪裝配尺寸及泵殼尺寸；根據用戶對水量、水壓要求，確定三元流葉輪設計參數，進行數值預測，通過迭代計算設計，最終制造三元流空間扭曲葉輪；更換葉輪。

本次試點的董家七級泵站高池方向安裝4臺20SH-19G型單級雙吸離心泵，水泵設計流量0.46 m3/s，設計揚程28.3 m，配套電機功率185 kW。將4#機組更換為三元流葉輪，其他機組（以3#機組為例）仍采用原葉輪作為對比。3#機組葉輪（原葉輪）如圖2所示，葉輪直徑470 mm；4#機組葉輪三維模型（三元流葉輪）如圖3所示，葉輪直徑513 mm。

3 三元流葉輪改造效果

通過對不同機組長時間運行測試，可以看到三元流改造具有如下效果：

圖2 3#葉輪（原葉輪）

圖3 4#葉輪三維模型（三元流葉輪）

（1）流量揚程相同時，提高水泵效率。3#機組（原葉輪）電機功率185 kW，4#機組（三元流葉輪）電機功率140 kW，效率提高了24.3%，日節電1080 kW，年節電129600 kW（120天），相當于每年減少碳排放101.7 t。

（2）電機功率相同時，提高水泵流量。4#機組（三元流葉輪）工作點流量由0.463/s增大到0.53/s，有效解決供水流量不足問題。

（3）流量穩定。圖4為4#機組（三元流葉輪）和3#機組（原葉輪）運行過程電流變化趨勢對比（由于泵站還未實現自動化，故采用人工采集電流數值，總共采集96小時，每隔1小時采集一次數據）。由圖可知，3#機組（原葉輪）開機20小時后，電流由300 A降至270 A，之后24小時又降至260 A，再經過41小時降至255 A，最后穩定在255 A，即開機20小時候就出現了較為嚴重的流量衰減，且隨著時間推后，流量呈階梯狀衰減。4#機組（三元流葉輪）開機電流328 A，在觀測的96個小時內一直保持328 A，不存在流量衰減。

圖4 機組運行電流變化趨勢對比圖

4 結論

對建成年份較早的灌溉泵站，由于設計和運行等原因，容易出現偏離設計點、效率低、流量衰減等問題，采用三元流技術進行改造具有如下優勢：

（1）在不動管路、電機、泵體、泵軸等建筑物和設備的前提下，只更換葉輪，改造成本低，實施簡單，操作性強，并能節約檢修費用。

（2）節能。在流量和揚程不變情況下，采用三元流葉輪，可以提高水泵效率，減小電機功率，節省能耗。

（3）增效。在配套電機功率不變條件下，采用三元流葉輪，能明顯增大水泵出流流量，解決供水不足問題，提高水泵效能。

（4）穩流。由于三元流葉輪設計理論更接近運行實際，能將流量長時間保持在開機穩定值，消除流量衰減。

[1]陜西省大型灌溉排水泵站更新改造規劃報告[R].2008.12.

[2]王福軍.水泵與水泵站[M].北京:中國農業出版社,2011.

[3]鐘再平.一種透平機械高效葉片[P].中國專利：ZL201520247822.X.2015-09-30.

[4]楊勝宇,車永軍.應用三元流技術實施循環水泵系統節能改造[J].節能工程，2012(5):37-40.

[5]劉曉軍.水泵采用三元流葉輪的使用效果[C].全國中氮情報協作組第23次技術交流會論文集,2005:276.

[6]王濤.以三元流動理論設計的新型水泵葉輪在供水公司的應用[J].應用能源技術，2015(1):9-12.

[7]吳霞，黃靜，戈文金.三元流技術在水泵改造中的成功應用[J].江西能源，2007(4):46-47.