口環(huán)間隙對(duì)立式單級(jí)消防泵組性能影響的試驗(yàn)研究

吳圣禹

（應(yīng)急管理部上海消防研究所，上海 201199）

立式單級(jí)消防泵組作為建筑物中消火栓系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)的重要設(shè)備，擔(dān)負(fù)著消防管網(wǎng)的供水任務(wù)。消防泵的口環(huán)是葉輪與泵殼之間的重要部件，口環(huán)間隙的大小將直接影響水泵的整體性能。口環(huán)間隙過小會(huì)導(dǎo)致磨損嚴(yán)重，零部件壽命減短；口環(huán)間隙過大導(dǎo)致容積效率降低，影響水泵性能。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。楊宇宸等人運(yùn)用數(shù)值模擬的方法探究了不同葉輪口環(huán)間隙寬度下離心泵的泄漏量與性能的變化情況。DaqiqShirazi,M等人研究了低比轉(zhuǎn)速離心泵口環(huán)間隙對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)及泵效率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)口環(huán)間隙增大三倍以上時(shí)，泵整體效率的降低顯著減小。Haddara M R對(duì)不規(guī)則形狀的口環(huán)進(jìn)行了研究，得到了間隙內(nèi)流體的壓力、軸向力的分布規(guī)律。但在GB6245-2006《消防泵》中消防泵組的性能測(cè)試方法中，消防泵的性能檢測(cè)是在1m吸深的前提下進(jìn)行的，國內(nèi)外在這方面的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。因此，筆者基于學(xué)者們的研究基礎(chǔ)，針對(duì)消防用立式單機(jī)離心泵組展開研究，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)管路，對(duì)三種口環(huán)間隙下的離心泵的性能進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB6245-2006《消防泵》中相關(guān)條款規(guī)定的試驗(yàn)條件，在1m吸深的前提下對(duì)立式單級(jí)消防泵組的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試管路為DN100的不銹鋼管路。主要試驗(yàn)儀器為：精度為0.075%的壓力傳感器測(cè)量，精度為0.5級(jí)的DN100電磁流量計(jì)，誤差范圍為±0.1%感應(yīng)線圈傳感器以及0.1級(jí)電流互感器等。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理。使用DN100的管徑對(duì)不同口環(huán)間隙下的樣機(jī)泵進(jìn)行性能測(cè)試，通過調(diào)節(jié)出口閥門將消防泵組從0流量點(diǎn)至1.5倍額定流量點(diǎn)依次進(jìn)行測(cè)量，共取13個(gè)測(cè)量點(diǎn)。每個(gè)流量點(diǎn)應(yīng)有一定時(shí)間的間隔，并應(yīng)同時(shí)測(cè)量流量、壓力、轉(zhuǎn)速及電流和電壓。本文采用的樣機(jī)型號(hào)為XBD6.0/20G-L的立式單級(jí)消防泵組進(jìn)行，其額定轉(zhuǎn)速為2900r/min，電機(jī)功率為22kW，電機(jī)效率89%。通過改變口環(huán)的外徑大小，使樣機(jī)實(shí)現(xiàn)三種不同大小的口環(huán)間隙，分別為0.25mm、0.40mm、0.55mm，進(jìn)行相應(yīng)的性能試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 口環(huán)間隙對(duì)立式單級(jí)消防泵組揚(yáng)程的影響

根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，經(jīng)由公式計(jì)算后繪制不同口環(huán)間隙下?lián)P程隨流量變化規(guī)律曲線，如圖1所示。隨口環(huán)間隙的增大，水泵揚(yáng)程逐漸降低，整體曲線呈下降的趨勢(shì)。在出口閥門開度不大的小流量點(diǎn)時(shí)，揚(yáng)程僅有小幅度降低。隨著閥門開度的不斷增大，流量不斷增加，揚(yáng)程的變化也更加劇烈，在口環(huán)間隙為0.55mm時(shí)揚(yáng)程降低尤為明顯。口環(huán)間隙的增大對(duì)水泵揚(yáng)程產(chǎn)生負(fù)面影響，口環(huán)間隙越大，高速運(yùn)動(dòng)的流體會(huì)進(jìn)入間隙的位置，從而產(chǎn)生大量的能量損失，導(dǎo)致?lián)P程下降。在1.5倍額定流量點(diǎn)時(shí)，口環(huán)間隙為0.55mm下的揚(yáng)程變化程度最大，曲線出現(xiàn)陡降，說明此時(shí)水泵即將發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

圖1 不同口環(huán)間隙下?lián)P程隨流量變化曲線圖

2.2 口環(huán)間隙對(duì)立式單級(jí)消防泵組效率的影響

圖2為不同口環(huán)間隙下?lián)P程隨流量變化曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著口環(huán)間隙的增大，消防泵的效率將減小。在小于額定流量點(diǎn)之前，泵的效率變化不明顯。隨著流量的不斷增大，口環(huán)間隙的大小對(duì)效率的影響逐漸增大。當(dāng)口環(huán)間隙為0.25mm時(shí)，泵效率曲線沒有出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。口環(huán)間隙越大，泵的效率曲線拐點(diǎn)越明顯。同時(shí)，從曲線上可以看出，在1.5倍額定流量點(diǎn)時(shí)，口環(huán)間隙的大小對(duì)效率的影響最大，在這種極限流量點(diǎn)時(shí)，水泵本身是處于高能耗狀態(tài)，當(dāng)口環(huán)間隙過大時(shí)，由于容積損失加大，將對(duì)水泵的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

圖2 不同口環(huán)間隙下?lián)P程隨流量變化曲線圖

2.3 口環(huán)間隙對(duì)立式單級(jí)消防泵組軸功率的影響

從圖3不同口環(huán)間隙下軸功率隨流量變化曲線中可以發(fā)現(xiàn)，隨著口環(huán)間隙的增大，軸功率整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。在流量點(diǎn)15L/s之前，不同口環(huán)間隙對(duì)軸功率的影響較小，軸功率曲線幾乎重合。隨著流量的增大，口環(huán)間隙的影響逐漸放大。這由于大流量點(diǎn)時(shí)，葉輪出口處大量高壓的流體會(huì)通過口環(huán)間隙進(jìn)入進(jìn)口低壓區(qū)，泄漏量增加導(dǎo)致水泵電機(jī)需要做更多的功來滿足此時(shí)的流量、揚(yáng)程。在1.5倍額定流量點(diǎn)時(shí)，可以在口環(huán)間隙0.55mm的曲線上看到軸功率快速增加，此時(shí)的水泵電機(jī)處于超功率運(yùn)行狀態(tài)，在這種狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)將對(duì)電機(jī)產(chǎn)生破壞性的影響。

圖3 不同口環(huán)間隙下軸功率隨流量變化曲線圖

3 結(jié)語

在DN100的測(cè)試管路下對(duì)立式單級(jí)消防泵組的性能進(jìn)行測(cè)試，以三種口環(huán)間隙0.25mm、0.40mm、0.55mm為變量，探討其對(duì)水泵揚(yáng)程、效率、軸功率的影響。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析，得到以下結(jié)論。（1）口環(huán)間隙對(duì)泵揚(yáng)程的影響，隨流量點(diǎn)的增大，壓力梯度減小，揚(yáng)程變化愈加明顯。（2）隨著口環(huán)間隙的增大，消防泵的效率將減小，口環(huán)間隙越大，泵的效率曲線拐點(diǎn)越明顯，容積損失越大。（3）小流量的下口環(huán)間隙對(duì)軸功率影響不大，在1.5倍額定流量點(diǎn)時(shí)，口環(huán)間隙過大，將導(dǎo)致水泵電機(jī)超功率運(yùn)行，影響消防泵的壽命。（4）消防泵在1.5倍額定流量點(diǎn)時(shí)，水泵性能受口環(huán)間隙的影響最大。