浅谈离心泵叶轮优化增效节能分析

程少高

（大庆宏伟庆化石油化工有限公司，黑龙江 大庆 163400）

1 离心泵流量调节几种常用方法及特点

离心泵石化行业广泛应用，常用离心泵流量调节方法一般有阀门节流、变频调速、叶轮切削等方法；阀门节流会造成能量的丧失和浪费，但是一种快速易行的流量调节方法；变频调速节能效果好、主动化程度高，泵的扬程会随转速的下降相应降低。对于现有泵优化，较为简便的方法是采用叶轮直径切削，但切削后的叶轮出口流场会增加涡流、混流，容积损失增加，泵的效率会降低，此类调节流量、扬程都是在一定范围限制的，适用于小工况调节。

2 影响叶轮效率的几个主要因素及机理

影响泵效率的关键零部件如叶轮、泵体、泵盖、导流器等，尤其是叶轮的直径、翼形、出水角、叶片的分度、流道的形状、光洁度等对泵效率的影响十分明显。叶轮直径及流道宽度对泵的扬程及流量起着决定性作用，对于后弯式叶轮，出口安装角在一定范围内增加，会增加扬程，同时提高泵内通流部件表面光洁度，可提高水泵效率3%左右；离心泵在小流量下工作，流速低，叶片入口的冲角增大，导致叶片附近形成涡流区，叶片侵蚀加剧，离心泵效率降低。水泵偏离设计工况越远，叶片区的压力脉动越大，尤其是低流量下，压力脉动表现在振动参数上更加显著。叶轮的优化设计现成为提高泵效率的一种新兴技术，已得到广泛应用。

3 结合常用节能方法，对我公司现存的机泵运行问题研究

（1）我公司机泵主要参数及基本情况。碳四塔顶回流泵P2109，转速1475rpm，设计流量267.3m³/h，扬程116m，入口压力0.58MPa，出口压力1.18MPa，额定电流291A，电压380V。实际运行参数：运行流量105m³/h，运行电流150A，电压380V，入口压力0.7MPa，出口压力1.3MPa。P2109使用的为出口角<90°的后弯式叶轮，泵运行流量、电流与额定值偏离较大，泵的出口调节阀开度较小，泵运行时振动较大，最大时可达5mm/s，严重影响泵的长期平稳运行，轴承、机封等配件的使用寿命严重不达标，为解决此问题，对叶轮进行重新设计，对叶轮内部参数优化改进。

（2）优化设计主要步骤。设计过程主要内容是已知原始叶轮的几何参数，形成三坐标数据，根据泵实际需求的流量与扬程，结合叶轮设计经验及计算公式，对叶轮直径、流道宽度及叶轮出、入口角进行微调，形成新的三坐标数据，建立叶轮模型，并根据叶轮模型确定流道模型，基于计算流体力学CFD结合FLUNT软件，对流道内的速度场、压力场进行模拟、分析，确定改进的叶轮流场叶片入口脱流、背面漩涡、流动分离均得以改进，叶轮内的静压值随流动方向按流动规律逐渐增加，使叶片水力效率得以提高。

（3）结合实际确定优化设计主要内容。此次叶轮优化原理基本可以归纳为，寻求与其运行状况相关的最佳流速场，减小脱流、涡流，减少摩擦损失，提高水力效率。因为影响叶轮效率因素较多，不能一一做到优化，此次优化主要考虑以下三点：

①确定叶轮外形变更方向，包括吸入口直径、叶轮外径、流道宽度。考虑被优化机泵的实际需求是在小流量下运行，为降低阀门开度小增加的节流损失，结合工艺需求及设计经验，采取减小叶轮出入口直径，缩小流道宽度的优化方向，此变更降低了叶轮的额定流量及扬程。

②叶轮几何尺寸优化后，出现扬程降低问题，而实际生产仍需扬程基本不变，因此，考虑从入口角、出口角的方向进一步优化。根据原叶轮流场模拟分析，如图1、2。调整叶片进、出口角，避免过多的脱流，降低水力损失，提高水力效率，再次建模流场模拟，经过三次的调整，最终确定速度场、压力场均得以优化和提升的新叶轮，如图3、4。

图1 压力分布图

图2 相对速度矢量图

图3 原始叶片压力分布

图4 优化后的叶片压力分布

③叶轮流道内部精加工。铸模模具要进行精修，叶轮铸造成型后要进行数控加工、边界打磨，成型后的叶轮进行内部流道表面光滑喷涂处理，减小摩擦及涡流损失，提高效率。

安装优化叶轮后，泵运行参数对比如表1。

表1 碳四塔顶回流泵P2109B叶轮改造前后运行情况统计表

对离心泵的叶轮进行了优化，使得泵在原有小流量下运行，出口调节阀开度增加，减少了管路节流损失，电机运行电流由150A降为128A，机泵振动由5.0mm/s降至2.5mm/s。

结合电机运行输入功率计算公式：

计算出：

结合公式计算出优化后的叶轮每年节约电量10.6万度，节约电能约15%。

4 结语

叶轮的优化是离心泵节能改进的一种重要方法，可以实现扬程基本不变，降低额定流量；调整叶片进出口直径、安装角度，叶轮内部流道光滑处理，得到流速分布规律，压力场均匀变化的新流场，减小了脱流、涡流，提高了水力效率；叶轮优化设计可以实现与额定工况偏离较大的机泵，在低流量运行时具备较高的效率，此次优化实现了全年节电10.6万度，机泵运行振动由5mm/s降至2.5mm/s的预期效果。