水系統裝置揚程的計算及泵的選型分析

徐 鑫，楊曉玲，高 珊

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽1100151）

0 引言

地面臺架試驗是航空發動機從方案設計到定型交付的關鍵環節，臺架試驗成功與否對發動機的改進改型乃至1個新機種的誕生至關重要。水泵是水系統的重要設備，用于發動機滑油散熱、壓縮空氣散熱、測功機負載調控，其運行狀況好壞直接影響試驗的可靠性和安全性。根據現場調查，由于選型不當、揚程過大無法在最佳工況點運行、型號與運行方式相矛盾、不同型號的水泵并行、特性曲線差異很大等原因，目前水泵的實際運行效率偏低。從降低成本、節約能源、保障試驗的目標出發，進行水系統裝置揚程的計算及泵的選型分析意義重大[1-4]。

本文通過對泵的選型參數進行計算分析，得到泵的揚程、流量選型計算和設計的依據，提出水泵選型的方法及流程，可作為今后類似水系統工程設計的依據。

1 水系統性能參數計算

某型發動機臺架試驗水系統（如圖1所示）包括儲水箱、氣液分離器、換熱器（10個換熱單元）、水泵、冷卻器、3通溫控閥、蝶閥、截止閥、止回閥、真空閥和孔板等部件。初溫為17℃的冷卻水在泵的驅動下，經氣液分離器濾氣后進入換熱器，換熱后的高溫水在冷卻器內冷卻至初溫，經3通溫控閥重新流入泵中。已知水系統的裝置靜揚程Hst=5m，泵在該系統中運行的裝置揚程為Hr，泵的進、出口壓差為Δp，泵的出口流量Q0=160～200kg/s，整個系統共有3種不同規格的管型（i=1、2、3），管徑di=300、250、50mm，管長di=72、4、54m，管流量li=160～200、80～100、16～20kg/s，流速V=4Q/πρd2。

圖1 某型發動機臺架試驗水系統

1.1 沿程阻力損失

沿程阻力損失計算公式[5-8]

式中：l 為管長，m；λ 為沿程阻力系數，是雷諾數Re和相對粗糙度ε /d 的函數，按表1中的公式計算。

表1 沿程阻力系數[5]

圓形截面管路雷諾數為

取v=1.08155×10-6m2/s，根據Qi、di值，由式（2）得Rei=（6.28~7.85）×105、（3.77~4.71）×105、（3.77~4.71）×105。

取ε=0.08mm，根據表1中Rei對應的λi公式，得λi=0.01563～0.01584、0.01658～0.01686、0.02264～0.02277。

根據λi、di、Qi值，由式（1） 得ΔPfi=9748.8～15030.6、358.6～551.0、817292.3～1269728.4Pa。

1.2 局部阻力損失

局部阻力損失公式為[5-8]

式中：ζ 為局部阻力系數。

如圖1所示的水系統包括蝶閥8個、止回閥2個、截止閥3個、3通溫控閥1個、孔板1個、氣液分離器1個、彎頭14個，局部阻力見表2。

表2 某管路系統局部阻力損失

1.3 裝置揚程和功率

裝置揚程計算公式為[9-10]

由式（4）計算得Hr=100.5～151.2m。

泵輸出功率為

由式（5）計算得Pe=160.8～302.4kW。

1.4 裝置特性曲線

根據計算的流量、揚程值，繪制水系統Q-Hr裝置特性曲線AB，如圖2所示。泵或多臺泵串、并聯的特性曲線與AB 相交，其交點即整個水系統的工況點。在特性曲線圖上，在多臺泵并聯時，自系統工況點引水平線與泵特性曲線的交點，即泵的工況點；在多臺泵串聯時，自系統工況點引垂線與泵特性曲線的交點，即泵的工況點[11-13]。

圖2 水系統裝置特性曲線

2 泵的選型方案

一般根據水系統的流量、揚程需求選擇泵，根據泵的性能規格表選擇相應型號。更常用的方法是將泵的流量-揚程特性曲線標繪到水系統Q-Hr裝置特性曲線圖上，如果2條曲線不存在交點，表明該型泵不能滿足要求，應適當改變泵的臺數或工作條件[14-15]。

在發動機臺架試驗水系統中，水泵需要滿足2個相矛盾的要求，既要保證整個系統有足夠水進行熱交換，又不能使系統升壓過高損壞系統內承壓能力較低的換熱器。因此選型時不可盲目選高揚程。對于流量范圍較大的水系統，可采用串聯、并聯或二者聯合連接的方式使用較小的水泵，既能節省發動機臺架試驗的基礎投入費用，也能降低功率和運行費用。根據水系統的裝置性能曲線，對目前市場上的水泵進行調研后，給出以下幾種泵的選型方案。

3臺IS和KZ型水泵并聯運行性能曲線如圖3、4所示。從圖中可見，假設水泵并聯點前的管路對稱布置，3臺IS125-100-315水泵并聯后與裝置特性曲線AB 相交于C 點（178.9，123.2），則流量為160~178.9Q/（kg/s）時，3臺IS125-100-315水泵并聯滿足要求；3臺IS125-100-315A并聯后與裝置特性曲線相交于D 點（165.8，107.2），則流量為160~165.8 Q/（kg/s）時，3臺IS125-100-315A水泵并聯滿足要求；3臺KZ200-125水泵并聯后與裝置特性曲線相交于O 點（178.9，123.2），則流量為160～178.9Q/（kg/s）時，3臺KZ200-125水泵并聯滿足要求。

圖3 3臺IS型水泵并聯運行性能曲線

圖4 3臺KZ型水泵并聯運行性能曲線

2臺Sh和S型水泵串聯運行性能曲線如圖5、6所示。從圖中可見，2臺12Sh-6B水泵串聯后與裝置特性曲線相交于E 點（189.0，136.2），則流量為160～189.0Q/（kg/s）時，2臺12Sh-6B水泵串聯滿足要求；2臺12Sh-9水泵串聯后與裝置特性曲線相交于F 點（180.5，125.2），則流量為160～180.5Q/（kg/s）時，2臺12Sh-9水泵串聯滿足要求；2臺12Sh-9A水泵串聯后與裝置特性曲線相交于 G 點（164.7，106.0），則流量為160～164.7Q/（kg/s）時，2臺12Sh-9A水泵串聯滿足要求；2臺300S90B水泵串聯后與裝置特性曲線相交于H 點（189.0，136.2），則流量為160～189.0Q/（kg/s）時，2臺300S90B水泵串聯滿足要求；2臺300S58串聯后與裝置特性曲線相交于L 點（180.5，125.1），則流量為160～180.5Q/（kg/s）時，2臺300S58水泵串聯滿足要求。

圖5 2臺Sh型水泵串聯運行性能曲線

圖6 2臺S型水泵串聯運行性能曲線

3 方案比較

確定水泵串、并聯運行的重點在于為泵選擇合適的連接方式、確定合適的運行工況點。選擇泵的連接方式需考慮水系統的裝置特性曲線，一般認為串聯比并聯更易成功。

將上述3種并聯方案、5種串聯方案的結果進行分析比較，見表3。

表3 泵的選型方案比較

4 結束語

通過對水泵選型方案中泵的連接方式、效率、能耗進行分析比較，結合工程投資和運行費用得出：2臺12Sh-9/12Sh-9A水泵串聯運行，具有較高的平均效率和揚程利用率，能量浪費少，投資小，可達到預期設計指標；其中又以2臺12Sh-9A水泵串聯運行方案的流量調節范圍最大。

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