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(tái)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(guān)鍵設(shè)備。由于設(shè)備屬20世紀(jì)60～70年代產(chǎn)品，設(shè)計(jì)制造水平落后，其設(shè)計(jì)參數(shù)為［1］:流量2 m3/s，揚(yáng)程 82 m，轉(zhuǎn)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(shí)際運(yùn)行中流量為1.87m3/s，電流為220A，效率為72.94%。經(jīng)檢測(cè)計(jì)算，水泵效率與裝置效率偏低，實(shí)際運(yùn)行中耗電量大，提水量小，且在偏離工況點(diǎn)小流量區(qū)運(yùn)行。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外雙吸離心泵設(shè)計(jì)制造水平，這些水泵已屬低效高耗設(shè)備，實(shí)際運(yùn)行中要付出高昂的電費(fèi)且提水量不能滿足設(shè)計(jì)要求和灌區(qū)需求。由此，必須對(duì)現(xiàn)有16臺(tái)32Sh-9水泵進(jìn)行更新改造，以達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能降耗、降低成本、滿足提水量的要求。進(jìn)行技術(shù)改造的途徑有兩條:一是選擇性能優(yōu)越的水泵進(jìn)行更新改造;二是對(duì)水泵的水力性能進(jìn)行技術(shù)改造升級(jí)［2］。前者投資巨大且周期長(zhǎng)，而后者投資小見效快。所以，應(yīng)用三元流技術(shù)對(duì)32Sh-9水泵葉輪進(jìn)行技術(shù)改造無疑是最佳選擇。

1 三元流技術(shù)基本原理

水泵的運(yùn)行效率與泵體內(nèi)部流體流動(dòng)狀況是密不可分的，而傳統(tǒng)的一元流結(jié)構(gòu)不能準(zhǔn)確而反映泵體內(nèi)液體的真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)，從而在設(shè)計(jì)上就導(dǎo)致了泵的效率偏低。三元流的設(shè)計(jì)理念就是通過三元射流——尾跡流動(dòng)計(jì)算，對(duì)因流體粘性和泵體內(nèi)部壓力梯度引起的流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行定量分析，進(jìn)而改善葉輪內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，減小進(jìn)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(jìn)口邊向來流進(jìn)口伸展，減少了進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)改變水泵的特性曲線，使其變得平滑，同時(shí)可以將效率曲線向右平移，以適應(yīng)工況發(fā)生變化時(shí)效率達(dá)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(shù)對(duì)32Sh-9離心泵葉輪的改造

應(yīng)用三元流技術(shù)對(duì)32Sh-9離心泵高效改造實(shí)際就是量身設(shè)計(jì)制造新的葉輪在原泵上進(jìn)行更換。實(shí)施步驟如下。

(1)通過對(duì)原葉輪進(jìn)行完整的測(cè)繪和泵體局部測(cè)繪工作，特別是對(duì)有關(guān)配合尺寸的準(zhǔn)確測(cè)量，如軸向、徑向的裝配要求等;另外對(duì)蝸殼、隔舌等相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)量，獲得原泵的基本結(jié)構(gòu)型式、尺寸參數(shù)，32Sh-9水泵關(guān)鍵尺寸為:葉輪外徑1 055 mm，葉輪出口寬度為168 mm，葉輪進(jìn)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(shè)定目標(biāo)值。設(shè)定目標(biāo)值及原結(jié)構(gòu)型式和尺寸參數(shù)通過CFD法，應(yīng)用三元流技術(shù)對(duì)包括吸入室、蝸殼和葉輪的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律分析、數(shù)值模擬和性能預(yù)測(cè)，從而為三元流技術(shù)改造葉輪提供實(shí)際目標(biāo)值和最佳選擇參數(shù)。應(yīng)用三元流技術(shù)設(shè)計(jì)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(shù)設(shè)計(jì)的葉輪具有復(fù)雜的曲面，傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)等技術(shù)手段難以滿足。選擇計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(CAPP)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)的一體化的柔性自動(dòng)化機(jī)械加工中心，加工完成三元流技術(shù)葉輪精密產(chǎn)品，以滿足技術(shù)改造目標(biāo)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(jī)位水泵進(jìn)行葉輪更換，準(zhǔn)備試運(yùn)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(shù)改造加工的新葉輪即可投入試運(yùn)行。

圖4 改造后的葉輪實(shí)物圖

3 改造前后的性能在線監(jiān)測(cè)及節(jié)能效果分析

(1)改造前6#機(jī)組測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如下。

配套功率2000kW功率因數(shù)φ=0.902，計(jì)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(yáng)程，m;U為電動(dòng)機(jī)工作電壓，kV;I為電動(dòng)機(jī)工作電流，A;cosφ為功率因數(shù);η電機(jī)為電動(dòng)機(jī)效率;η傳為傳動(dòng)效率。

其計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 改造前6#機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

(2)改造后6#機(jī)組配套功率、電壓及管路和其它附設(shè)均不變的情況下，運(yùn)行72 h后測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表2所列。

表2 改造后6#機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

由改造前后計(jì)算結(jié)果對(duì)比看出，改造后實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)處電流減少了8A，效率提高了12個(gè)百分點(diǎn)。按年運(yùn)行天數(shù)200天計(jì)，單臺(tái)機(jī)節(jié)電量為:

4 結(jié)語

應(yīng)用三元流技術(shù)對(duì)高揚(yáng)程大流量離心泵葉輪進(jìn)行改造，是不需要更換水泵等設(shè)備，在投資最省的情況下達(dá)到節(jié)能的最有效方法。

(1)通過對(duì)6#機(jī)組改造后機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)可靠，各項(xiàng)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(gè)百分點(diǎn)，大幅降低了能源單耗，取得了顯著地節(jié)能效果。

(3)應(yīng)用三元流技術(shù)對(duì)現(xiàn)有水泵葉輪進(jìn)行改造以其投資省、周期短、節(jié)能效果顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在同類工程或系統(tǒng)中具有較大的推廣價(jià)值和借鑒意義。

［1］ 蘭州水泵總廠.32Sh-9型水泵性能實(shí)驗(yàn)報(bào)告［R］.1999.

［2］ 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:宇航出版社，1995.

［3］ 丘傳忻.泵站工程［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2001.