引言水泵的运行效率与泵内流体的流动状态密切相关，转子叶轮的水力特性对泵的性能起决定性作用，目前基于一元流理论设计的传统叶轮存在各种不足。泵类流体机械节能增效主要包括3个方面：泵本身的节能、水泵系统的节能、泵运行节能。目前水泵的节能提效改造多采用变频法，变频法虽然一定程度上可以改善能源浪费的情况，但改造成本较高，不利于技术推广。基于转子叶轮的三元流理论，对某电厂立式海水斜流泵的转子叶轮和导叶体流场进行数值分析，并对叶轮和导叶体进行优化设计，降低能耗。1理论计算模型斜流泵稳定运行时，叶轮内部近似为三维定常不可压缩湍流流动，在三维圆柱坐标下，建立控制方程：连续性方程：ρvr+∂(ρu)∂x+1r×∂(ρw)∂θ+∂(ρv)∂r=0 (1)式中：u、v和w——流体在各个方向的速度分量。动量方程：∂∂xρuφ+1r×∂∂rrρvφ+∂∂θρwφ=∂∂xΓ∂φ∂x+1r×∂∂rΓr∂φ∂r+1r×∂∂θΓr×∂φ∂θ+s (2)式中：s——源项。能量方程：∂∂xj(ρujh)=∂∂xj(Γh∂h∂xj)+(∂P∂xi)- ∂∂xj[Γhμ- Γh∂∂xj(ujui2)] (3)湍流模型k方程：divΓkgradk+Gk- ρε=0 (4)湍流模型ε方程：divΓεgradε+εkc1ck- c2ρε=0 (5)式中：Gk——单位体积k的产生率；c1，c2——系数，分别取1.44、1.92；Γk——湍能耗散率。Gk=μi2∂u∂x2+∂v∂r2+∂wr∂θ+vr2+∂u∂r+∂v∂x2+μi∂w∂x+∂ur∂θ2+1r∂v∂θ+∂w∂r- wr2 (6)2几何建模及网格离散化某海水斜流循环水泵设计流量36 972 m3/h，扬程23.9 m，铭牌效率89.6%。夏季满负荷工况时，由于海水水温升高，设计工况点下循环水流量不足，凝汽器背压升高，为降低凝汽器背压，要求水泵实际循环水量在45 000 m3/h以上，原立式斜流循环水泵在该流量下，扬程不足以克服管路系统的阻力，且效率大幅下降。三元流理论设计的三维扭曲水力模型具有水力效率高、可铸造性及超低汽蚀余量等优良特性，能有效提高离心水泵的工况适应性。2.1叶轮和导叶体水力模型建模确定改造后三元流高效节能水泵的设计工况点为45 000 m3/h，扬程20.5 m，效率≥89.5%。新设计的叶轮必须与新设计的导叶体匹配；与原有的叶轮轮盖基本一致；叶轮的轴向长度与原有的叶轮相差很小，与其他原有零部件的配合尺寸不变；作用在叶轮上的扭矩必须小于所设定的扭矩，泵的轴功率小于电机的输出功率；叶轮的流量在不超过最高功率的要求下应尽可能高，尽量拓展高效大流量的运行范围；叶轮在设计点的效率高，且NPSH低。最终确定水力模型的形状如图1所示。叶轮设计确定之后再设计匹配的导叶体，经过调整选取一个最优的导叶体。选择的标准：（1）必须与所设计的叶轮匹配；（2）设计的导叶体与原有导叶体的尺寸匹配。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.008.F001图1三维扭曲叶轮叶片模型2.2网格离散化方法对该叶轮进行网格划分，由于三维扭曲叶片的结构复杂，计算区域复杂，划分网格时采用适应范围更广的非结构化四面体网格。经检查网格的等角斜率和尺寸斜率均不超过0.8，网格质量较好。3边界条件（1）进口边界条件。采用速度进口边界条件，给定初始速度，并设定速度方向垂直于进口平面；（2）出口边界条件。对于计算区域充分大的位置，选择充分发展条件（outflow）；（3）壁面条件。在叶片表面上，采用无滑移边界条件；（4）压力边界。为保证计算的稳定性，设置参考压力，边界上压力法向导数为0。4流场计算结果分析根据扭曲叶片流场的特点，基于Boussinesq涡黏性假设，选用适应性较强的k-ε湍流模型，方程组的离散采用二阶迎风格式。采用Simple算法实现速度和压力的耦合求解，导叶体跨子午流面上的速度矢量图如图2所示。流体经导叶体叶片进口再到出口，跨子午流面上流体速度分布均匀，未出现涡流、回流、分离区域，流场稳定，结构设计合理。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.008.F002图2导叶体跨子午流面上的速度矢量图靠近轮盖流面叶轮和导叶体跨叶片流面上的速度矢量图如图3所示，叶轮和导叶体跨叶片流道内的流线图如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.008.F003图3靠近轮盖流面叶轮和导叶体跨叶片流面上的速度矢量图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.008.F004图4中间流面叶轮和导叶体跨叶片流面上的速度矢量图叶轮和导叶体跨叶片流道内三维流线图如图5所示。流体从旋转叶轮进口到叶轮出口流动，再进入到导叶体叶片进口再到出口，横跨动叶轮和静导叶体，仍然沿着叶片流道往出口方向稳定流动，流体在进口处流动均匀，进口流速较低，沿流道进口到出口，速度逐渐升高，叶轮内各流道内流速均匀，没有出现明显分离区，整体效率较高。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.008.F005图5叶轮和导叶体跨叶片流道内三维流线图水泵原驱动电机为高低速电机，高速为372 r/min，低速为330 r/min。采用三元流技术对水泵的叶轮和导叶体进行优化设计后，对高低速下水泵的整体性能进行数值模拟，并绘制曲线如图6~图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.008.F006图6高转速斜流泵的性能曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.008.F007图7高转速斜流泵的性能曲线（轴功率）10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.008.F008图8低转速斜流泵的性能曲线图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.008.F009图9低转速斜流泵的性能曲线图（轴功率）电机高速运行，额定点流量45 000 m3/h，扬程20.5 m时，水泵效率89.5%，额定轴功率2 851 kW；当水泵流量54 000 m3/h，扬程14 m，效率84%，轴功率2 455 kW；额定点流量、扬程、效率、额定轴功率等完全满足设计要求，同时大幅拓宽水泵的高效区，对工况的适应性好。电机低速运行，由于水泵的转速降低，水泵的扬程相应降低，实际运行工况点与设计工况点相比，发生偏移。在额定点流量45 000 m3/h，扬程15 m，水泵效率89.5%，额定轴功率1 950 kW；当水泵流量40 320 m3/h，扬程16.5 m，效率90%，轴功率1 900 kW；当水泵运行偏离最佳运行工况点时，水泵的效率相应下降，低速运行时，水泵的效率曲线较为平滑，即水泵的高效区较宽，对工况的适应性能较好。5结语基于CFD数值模拟技术对斜流泵叶轮和导叶体内的流场进行模拟分析，计算结果与实际运行相符，应用三元流技术对斜流泵的转子叶轮进行优化设计，可大幅拓宽水泵的高效区。泵类流体机械的节能技术可以根据不同季节循环水温度和流量的不同需要，对电机进行高低速改造，显著降低循环水泵的电耗。通过对某斜流泵转子叶轮和导叶体的水力模型进行重新设计，并进行流场的数值分析。结果显示，改造后，电机高速运行和低速运行时，水泵的性能稳定，高效区宽，可实现水泵的扩容节能，工程实施周期短，改造量小，初投资低，值得推广。