三元流叶轮

三元流叶轮设计流程
三元流叶轮是一种用于离心式压缩机、风机、涡轮机等设备中的重要组件，其设计流程通常包括以下几个步骤：
1. 确定设计要求和性能指标：根据设备的用途和要求，确定三元流叶轮的设计要求和性能指标，如流量、压力、转速等。

2. 建立数学模型：根据叶轮的几何形状和流场分布，建立数学模型，包括叶片数、叶片倾角、叶片后掠角、流道形状等参数。

3. 进行流场数值模拟：利用计算流体力学（CFD）软件对流场进行数值模拟，求解速度、压力、温度等物理量，并分析流场分布情况。

4. 优化叶轮结构：根据数值模拟结果，优化叶轮结构，如叶片数、叶片倾角、叶片后掠角、流道形状等，以满足性能指标和减少流动噪声。

5. 进行实验测试：对优化后的叶轮进行实验测试，验证数值模拟结果和优化效果，并进行必要的修正和调整。

6. 确定最终设计方案：根据实验测试结果和设计要求，确定最终的三元流叶轮设计方案，包括叶轮几何形状、叶片数、叶片倾角、叶片后
掠角、流道形状等参数，并进行生产制造。

需要注意的是，三元流叶轮的设计流程可能因具体设备而异，上述流程仅供参考。

在实际设计过程中，需要根据具体情况进行调整和完善。

离心水泵叶轮的三元流技术原理及应用LI前，节能降耗已成为全国各行各业，特别是高耗能企业的重要任务。

我国已把节能降耗提到了国民经济发展非常重要的位置。

离心泵是把原动机的机械能通过离心泵叶轮产生的离心力使液体产生动能，从而达到输送液体的LI的，它广泛应用于国民经济的各个领域。

因此，通过优化离心泵的性能做好离心泵的节能工作，是节能降耗中至关重要的一环。

1.三元流技术概述我国离心泵多年来一直采用一元流理论设讣离心泵叶轮，它的设计理念是假定进出口流通截面及流道内部任何流通截面的水流分布是均匀的，而流速仅为一个自变量的函数。

据此而设计出叶片的儿何形状，制作出多种模型进行试验，择优选用。

由于离心泵在不同工况下其流量、压力变化范围很大，而这种叶轮的模型只能是有限的数种，因而无法保证优选模型与实际工况一致。

这就导致离心泵叶轮偏离设讣最佳效率点，进而影响泵的实用效率。

我国科学家吴仲华教授创立的si、S2两类流面概念，奠定了叶轮机械三元流动理论的基础，中科院研究员刘殿魁教授于1986年提出了叶轮机械内“射流-尾迹的完全三元流”的解法。

应用这一计算方法对叶轮流道进行设讣，有效地解决了尾迹区的影响，提高了叶轮的水力效力，同时增大了有效流通面积，提高了离心泵的工作效率。

离心泵的水力效率受水泵叶轮的进口轮径、出口轮径、轮毂比、子午流道的曲率变化、叶型中心线的形状、叶片厚度分布、安装角、进口角、出口角及泵的工作流量、压力变化等多种因素的影响。

而根据“射流-尾迹三元流动”理论结合离心泵的实际流量、扬程等参数设计制作的高效三元流叶轮，在不变动泵体安装结构的情况下，换装于原泵体内。

以投资最少，见效最快的技改方式，达到节能降耗的H 的。

2.三元流技术原理三元流技术，实质上就是通过使用先进的泵设计软件，结合生产现场实际的运行工况，重新进行泵内水力部件（主要是叶轮）的优化设计。

具体步骤是：先对在用离心泵的流量、压力、电机耗功等进行测试，并提出常年运行的工艺参数要求，作为泵的设计参数；再使用泵设计软件设计出新叶轮，保证可以和原型互换，在不动管路电路、泵体等条件下实现节能或扩大生产能力的H 标。

三元流叶轮是一种根据流体实际流线模拟出的，在数控机床上加工出的高效率叶轮，效率可提高较多，下面是我厂的实例：北3#泵型号为500S-59，标牌扬程59米，流量2020吨/小时，我厂的工艺要求循环水系统压力为0.45MPa。

由于泵的特性与我厂的工艺需求不相符，造成泵的效率低，能耗浪费大。

改造前，经过检测，北3#泵的实际流量为2400吨/小时，系统压力为0.44MPa，当时的电流为54A，由此可计算出泵的实际效率。

北泵房3#泵消耗功率：N =√3UICOSφη/1000=1.732×6000×54×0.85×0.98/1000=467.5（kw）泵的效率为：η =(g×Q×H)÷N×100%=（9.81×2400×44÷3600）÷467.5×100%=62%由此可见，该泵的运行效率偏低，达不到泵的设计效率。

该泵如果在系统供水压力为0.59 MPa 时，设计参数中的运行效率应为83%。

改造后经过2个月的运行，我们对北3#泵的运行数据进行监测：供水压力在0.44±0.01 MPa 时，泵的流量大部分在2400吨/小时～2700吨/小时之间，电流在49A～50A之间。

据此我们对改造后泵的效率进行计算：（计算值均取变化范围的绝对平均数）消耗功率：N =√3UICOSφη/1000=1.732×6000×49.5×0.85×0.98/1000=428.5（kw）泵的效率为：η =(g×Q×H)÷N×100%=（9.81×2550×44.5÷3600）÷428.5×100%=72%改造后泵的运行效率提高了10个百分点，效果非常显著。

说明：我们所采集的数据均为现场仪表所显示数据，由于电工配电间内电流表所显示的数据要比现场的低6A～7A，如果以配电间电流表为准，可计算出改造后泵的运行效率可达82%。

三元流动理论在叶轮机械中的应用与发展所谓三元流动，其含义是指在实际流动中，所有流动参数都是空间坐标系上三个方向变量的函数。

其通用理论的中心思想是将叶轮机械内部非常复杂、难以求解的三元（空间）流动,分解为相交的两族相对流面上比较简单的二元（流片）流动，只使用这两族流面就可以很容易地得到三元流场的近似解，同时使用这两族流面进行迭代计算，可以得到三元流动的完整解。

三元流动是透平机械气动热力学的专门问题。

最初是航空上为了提高飞机性能，对压缩机的设计不断提出新的技术要求和性能指标，从而使压缩机的第一级由亚音速过渡到超音速。

流线的曲率和斜率对气流参数的影响就特别突出，要设计样的叶轮机械就必须突破“沿圆柱表面”流动的束缚，把流线的曲率和斜率考虑进去，同时还要考虑熵和功沿径向的变化。

因此，迫切需要建立新的流动模型，把二元流发展到三元流。

按三元流动理论设计出既弯又扭的三元叶轮，才能适应气流参数(如速度、压力等)在叶道各个空间点的不同，并使其既能满足大流量、高的级压力比，又具有高的效率和较宽的变工况范围。

图1：S1流面与S2流面相交叉模型叶轮中三元流动的理论大致可分为三类：通流理论、Sl与S2相对流面理论和直接三元流理论。

(1)通流理论通流理论最早是由劳伦茨(Lorenz)提出的。

这个理论假设叶片数趋于无穷多，叶片厚度趋于无限薄。

此时，介于两相邻叶片间的相对流面S2与叶片的几何中位面趋于重合，而其上的流动参数在圆周方向的变化量趋于零，但圆周方向的变化率却保持有限值。

所以，此时仍不是轴对称流动。

叶片的作用则通过引入一假想的质量力场来代替。

这样，只要求出在这个极限流面上流动的解即可。

但是，这样得出的解实际上只能是在叶栅密度较大时，作为某个大约与叶道按流量平均的中分面相重合的相对流面上的解。

(2)Sl、S2相对流面理论（如图1）1952年，吴仲华提出了用准三元方法求解三元流动的理论，即著名的叶轮机械两类相对流面（S1流面和S2流面）的普遍理论，把一个复杂的三元流动问题分解为两类二元流动问题来求解，使数学处理和数值计算大为简化。

0引言我国标准动车组一直在向更高速、更稳定、全部自主知识产权的方向发展[1]。

在一系列技术革新中，列车冷却系统的技术创新，显得尤为重要。

目前，高速动车组列车中大功率的牵引变压器在工作过程中会产生大量的余热，当工作环境温度超过电器元件所能承受的范围时，将影响牵引变压器的正常运行，引发着火等危险状况，因此，需要使用风机将热量进行转移[2-5]。

为满足高铁冷却风机的高效率、低振动、高稳定性的要求，就对风机的研制提出了更高的要求。

叶轮作为风机重要的过流部件[6]，对风机的性能有至关重要的影响作用。

对于风机叶轮的优化设计，也是当前研究喆的热点话题。

易鑫等人[7]对两种不同型号原型的风机叶进行了优化和数值模拟，结果显示：在满足设计压力的条件下，优化后叶轮的全工况叶轮的传动效率明显提高。

王培[8]采用理论计算以及有限元两种计算方法，对离心式通风机叶轮强度进行校准复核，并采用有限元法对风机叶轮进行模态分析，提高了产品的可靠性。

冯美军等人[9]以对叶轮端面齿所采集的数据为主要的研究对象，以UG NX6.0等软件为工具对叶轮端面齿进行数据处理，为叶轮的逆向设计提供了支撑依据。

三元流理论最早是由吴仲华教授所创立，他将复杂的三维流场简化为按不同规律形成的无数条流线和对应流面组成，创造性的将流场、流面和流线三者有机的联系在一起。

当前，三元流理论技术在循环水泵节能方面的研究最多，取得的效果也比较显著[10-12]。

综上所述，采用三元流理论[13，14]进行设计，通过先进的CFD [15，16]技术对旋转机械内部的流动进行数值模拟和性能预测，采用数值模拟方法对叶轮机械内部流动的细节进行分析，从而大幅度增效降本。

本研究以三元流理论为依据，采用三维流场对该叶轮进行数值模拟及全工况计算，有效提高了叶轮效率、稳定性。

1三元流叶轮设计叶轮是风机的核心部件。

叶轮旋转时对气体做功，使气体获得能量。

叶轮主要由前盘、后盘、叶片和轮毂构成。

二元流与三元流设计思路主要区别在于叶片[17]。

二元叶轮与三元叶轮理论说明1. 引言1.1 概述在液压机械领域，叶轮是一种常见的关键元件，用于将动能转化为压力能或流动能。

叶轮根据其构造和工作原理可分为多种类型，其中最常见的是二元叶轮和三元叶轮。

理解二元叶轮和三元叶轮的原理以及它们的优缺点对我们设计和选择合适的叶轮至关重要。

本文将通过深入探讨和比较二元叶轮与三元叶轮的结构、性能和应用领域，旨在提供一个全面而清晰的理论说明。

首先，我们将详细解析二元叶轮和三元叶轮各自的工作原理，并阐述其在不同领域中的应用情况。

其次，我们将对这两种类型进行全面比较和分析，包括结构上的差异、性能方面的优劣以及在实际应用中存在的区别。

1.2 文章结构本文共分为五个主要部分。

除了引言外，第二部分将重点介绍二元叶轮的工作原理，并对其应用领域进行详细探讨。

接下来，第三部分将阐述三元叶轮的原理和应用范围。

第四部分是本文的重点，将对二元叶轮和三元叶轮进行对比分析，包括结构、性能和应用等方面的差异。

最后，第五部分将总结整篇文章，并提供对二元叶轮和三元叶轮综合评价以及未来研究方向的展望。

1.3 目的本文旨在深入探讨二元叶轮和三元叶轮的工作原理，并比较它们在不同领域中的应用情况。

通过本文的阐述，读者将能够全面了解二元叶轮和三元叶轮的特点与优劣，并可以基于实际需求选择适合自己应用场景的合适叶轮类型。

此外，我们希望通过对这两种类型进行比较分析，为液压机械领域相关研究提供一些有益参考，并在未来研究中发现新的改进和创新方向。

2. 二元叶轮理论说明2.1 二元叶轮原理解析二元叶轮是一种由两个叶片组成的涡轮机械装置。

它的工作原理是利用流体在叶片上的压力差推动装置旋转，从而实现能量转换和功率输出。

具体来说，当流体通过进口处进入二元叶轮时，流体与叶片之间产生了速度和压力的变化。

这种速度和压力变化使得流体对叶片施加了一个作用力，从而驱动叶片旋转。

随后，流体会经过出口处离开二元叶轮，同时将其自身的能量和动量传递给装置。

离心水泵叶轮的三元流技术原理及应用目前, 节能降耗已成为全国各行各业, 特别是高耗能企业的重要任务。

我国已把节能降耗提到了国民经济发展非常重要的位置。

离心泵是把原动机的机械能通过离心泵叶轮产生的离心力使液体产生动能, 从而达到输送液体的目的, 它广泛应用于国民经济的各个领域。

因此, 通过优化离心泵的性能做好离心泵的节能工作, 是节能降耗中至关重要的一环。

1．三元流技术概述我国离心泵多年来一直采用一元流理论设计离心泵叶轮, 它的设计理念是假定进出口流通截面及流道内部任何流通截面的水流分布是均匀的, 而流速仅为一个自变量的函数。

据此而设计出叶片的几何形状, 制作出多种模型进行试验, 择优选用。

由于离心泵在不同工况下其流量、压力变化范围很大, 而这种叶轮的模型只能是有限的数种, 因而无法保证优选模型与实际工况一致。

这就导致离心泵叶轮偏离设计最佳效率点, 进而影响泵的实用效率。

我国科学家吴仲华教授创立的 S1、S2两类流面概念, 奠定了叶轮机械三元流动理论的基础, 中科院研究员刘殿魁教授于 1986年提出了叶轮机械内“射流-尾迹的完全三元流”的解法。

应用这一计算方法对叶轮流道进行设计, 有效地解决了尾迹区的影响, 提高了叶轮的水力效力, 同时增大了有效流通面积, 提高了离心泵的工作效率。

离心泵的水力效率受水泵叶轮的进口轮径、出口轮径、轮毂比、子午流道的曲率变化、叶型中心线的形状、叶片厚度分布、安装角、进口角、出口角及泵的工作流量、压力变化等多种因素的影响。

而根据“射流-尾迹三元流动”理论结合离心泵的实际流量、扬程等参数设计制作的高效三元流叶轮, 在不变动泵体安装结构的情况下, 换装于原泵体内。

以投资最少, 见效最快的技改方式, 达到节能降耗的目的。

2．三元流技术原理三元流技术, 实质上就是通过使用先进的泵设计软件，结合生产现场实际的运行工况, 重新进行泵内水力部件(主要是叶轮 )的优化设计。

具体步骤是: 先对在用离心泵的流量、压力、电机耗功等进行测试, 并提出常年运行的工艺参数要求, 作为泵的设计参数；再使用泵设计软件设计出新叶轮, 保证可以和原型互换, 在不动管路电路、泵体等条件下实现节能或扩大生产能力的目标。

三元流技术我公司依托专业技术团队对需进行节能改造的水泵用三元流理论进行定制设计。

对于高效节能水泵的设计，从考虑水力损失最小、效率最高和汽蚀性能最好着手，用三元流理论与CFD流体力学计算和优化相结合的方法，寻找不同的流动和几何参数的最优组合，从设计上保证产品的高效性能。

三元流叶轮设计技术水泵由电机等原动机带动叶轮旋转，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、φ、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W=f（R，φ，Z），这就是三元流的基本概念。

计算图（1）流道中任何空间一点的流速W，这就是三元流动解法。

通过三元流动计算，可以得到水泵任意点的流速。

三元流设计技术是根据“三元流动理论”将叶轮内部的三元立体空间无限地分割，通过对叶轮流道内各工作点的分析，建立起完整、真实的叶轮内流体流动的数学模型，进行网格划分和流场计算。

运用三元流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，其结构可适应流体的真实流态，从而避免叶片工作面的流动分离，减少流动损失，并能控制内部全部流体质点的速度分布，获得水泵内部的最佳流动状态，保证流体输送的效率达到最佳。

三元流叶轮制造工艺对于中小型三元流叶轮，采用金属模精密铸造，保证叶轮的精度和表面质量。

大型三元流叶轮，叶片毛坯采用铸造或锻造，叶片和叶轮的前后盖板均采用数控加工，叶轮部件采用拼焊工艺。

依据三元流动理论设计出来的叶轮配以先进的三元流叶轮制造工艺，使叶轮的叶片型线完全达到设计要求，最大限度地降低了泵内的损失、冲击和噪音，泵的效率和运行可靠性得以显著提高。

三元流叶轮特点●子午流道三元流叶片宽，轮毂减少，通流能力增大，提高了水力效率；●子午流道三元流叶轮直径减少，而出口宽度增大，提高了水力效率；●三元流叶轮槽道更宽，叶轮槽道水流速减小，因此可以避免汽蚀或减缓汽蚀现象发生。

●三元流叶片扭曲度较一元流大很多●三元流叶片进口边向来流进口伸展，减少了进口损失，提高了汽蚀性能●对中、高比转速的三元流双吸叶轮，采用相邻叶片相互交错的结构，大大降低了水流脉冲，使水流更加平稳，效率更高，汽蚀余量更低●三元流叶轮减少了进口冲击和出口尾迹脱流等损失，使泵效率真正得以提高。

三元流节能叶轮介绍1.三元流定义三元流动（简称三元流）是指在实际流动中，所有流动参数都是空间坐标系上三个方向变量的函数（x,y,z坐标）。

由于水的实际流动不是规则的，因此二元流（x,y坐标）不能真实反映水的实际流动轨迹。

而三元流动则能真实反映。

2•三元流的节能从以下三个方面来讲：（1）理论上。

目前运行的离心泵主要是采用二元流动技术，其离心泵的基本方程式是：H T=1/g（U2C2-U i C i）其中H T为扬程，U-圆周速度；C-绝对速度。

该公式是揭示的水流在叶片根部到叶片顶部的S流面的流动，而叶片与叶片间的圆柱面流动阻力没有计算；三元流将这部分圆柱面的流动发展到了沿S流面的流动，将被一元流动和二元流动技术忽略的各类因素考虑进去，从而在叶轮设计中减少了泵体内部的冲撞损失和摩擦损失等各种损失，提高了叶轮机械效率。

因此三元流叶轮从理论上讲效率提高大约5%左右。

（2）由于在设计选型时不一定能够选到合适的泵。

比如选参数为20米，流量2000吨/小时的泵，可能不一定有，而有22米，2000吨/小时的泵，根据选大不选小的原则，最终选用的是22米，2000吨/小时的泵，这样在选型时造成了偏差。

（3）在实际安装时，系统的长度，弯头，设备等阻力都会造成水泵的压力，和流量产生偏差。

综上所述，水泵的实际偏离水泵的性能曲线越多，效率越低。

我们是根据实际参数进行叶轮设计，将实际工况点设计为高效区，提高水泵系统的效率，也就能降低电机电流，实现节能的目地。

3•高效节能三元流叶轮的优点以三元流理论制作的叶轮简称三元流叶轮。

三元流叶轮与普通叶轮相比，具有以下优点：1、具有较高的抗汽蚀性能；2、减小了泵的转子重量，降低了泵组的径向力，提高了轴承寿命；3、增高了泵组的临界转速，泵运行更平稳，提高轴的抗疲劳强度；4、降低了转子运行挠度值，减少叶轮口环的磨损及功率损耗；5、减小了密封的磨损，延长了使用寿命；6、采用全三维立体设计，优化水力设计，提高叶轮效率；7、能加工到的叶轮表面全部采用机械加工，对叶轮流道采用精密铸造，全面提高叶轮光洁度，减小水力损失。

三元流风机（水泵）知识介绍目前水泥行业节能降耗技术和产品在快速的普及，特别是水泥行业使用的风机和水泵较多，消耗较多的能源，降低风机水泵的能耗是降低吨熟料（水泥）电耗效果显著的措施，目前市面上各种风机（水泵）厂家众多，新型概念也层出不穷，能经常听到一些设备厂家宣传三元流风机，三元流水泵，本文给简要介绍下什么是三元流，具体有什么优点和应用范围。

一、什么是一元流、二元流、三元流？一元流定义：若各空间点上的运动参数只是一个空间坐标和时间变量的函数，则该流动是一元流动(简称一元流)。

二元流定义：若各空间点的速度平行于某一平面，运动参数只是两个空间坐标和时间变量的函数，则该流动是二元流动(简称二元流)。

三元流定义：三元流动(简称三元流)是指在实际流动中，所有流动参数都是空间坐标系上三个方向变量的函数(x,y,z坐标)。

由于液体（或者气体）的实际流动不是规则的，因此二元流(x,y坐标)不能真实反映流体的实际流动轨迹，而三元流动则能真实反映。

二、什么是三元流叶轮（风机、水泵）？简单的说是指利用三元流理论设计出来的叶轮（风机、水泵）；详细的指利用计算机仿真（CFD）技术，把叶轮和壳体运行轨迹内的三元立体空间无限分割，通过对叶轮轨迹内各工作点的分析，建立起完整、真实的叶轮内流体流动的三维数学模型，获取最优的设计方案；依据三元流动理论设计出来的叶轮叶片是不规则曲面形状，叶轮叶片的结构可从空间三个方向对气流进行控制引导，能够控制叶轮内部全部流体质点的速度分布。

三、三元流叶轮与二元流叶轮的普别：结构上的区别：三元流风机采用三元叶轮，普通风机采用二元叶轮。

二元叶轮的叶片通常为圆弧叶片或直板叶片，叶片的曲率只沿x,y两个方向变化，沿轴向投影叶片后，叶片为直线或曲线；三元叶轮的叶片呈空间扭曲状，叶片的曲率沿x,y,z三个方向变化，沿轴向投影后，叶片为不规则曲面。

图1 二元叶轮跟三元叶轮区别设计理论不同：二元叶轮只考虑了x,y两个方向的参数变化，跟气体真实流动有一定差别；三元叶轮根据三元流理论设计，考虑x,y,z三个方向的参数变化，气体流动更贴和实际流动情况。