工程用消防泵水力設(shè)計新思路及應(yīng)用

陸霞杰

摘?要：從現(xiàn)有工程用消防泵存在的問題入手，尋找總體設(shè)計思路，提出一種預(yù)估工況點的新思路，并給出適用于工程用消防泵的水力設(shè)計公式及速度系數(shù)。最后通過實例對設(shè)計思路、公式、系數(shù)進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明該設(shè)計思路切實可行，為企業(yè)開發(fā)工程用消防泵提供了參考依據(jù)，具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：消防泵;新思路;水力設(shè)計

1 緒論

消防泵屬于消防給水和消火栓系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵設(shè)備，其作用是在一定的時間內(nèi)達(dá)到并保持所需的出水流量和出水壓力，以確保能夠迅速將火撲滅，減少火災(zāi)危害、保護(hù)人身和財產(chǎn)安全。我國現(xiàn)行消防規(guī)范《GB6245-2005消防泵》[1]中明確規(guī)定消防水泵流量揚程性能曲線應(yīng)無駝峰、無拐點的光滑曲線，零流量時的壓力不應(yīng)大于設(shè)計壓力的140%;當(dāng)出流量為設(shè)計流量的150%時，其出口壓力不應(yīng)低于設(shè)計工作壓力的65%。

近年來，隨著消防安全意識的不斷提升以及消防驗收規(guī)范的嚴(yán)格要求，消防泵的性能受到廣泛關(guān)注，但其技術(shù)要求高，設(shè)計難度大，傳統(tǒng)水力設(shè)計方法無法滿足其開發(fā)工作。本文基于傳統(tǒng)速度系數(shù)設(shè)計法，通過整理消化現(xiàn)有消防泵水力設(shè)計參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)，初步統(tǒng)計了適用于消防泵的速度系數(shù)，同時提出了一種新的思路來滿足消防泵的設(shè)計要求。

為便于讀者理解，對下文中出現(xiàn)的參數(shù)符號進(jìn)行說明：

Q—設(shè)計流量，單位為m3/h;

Qn—額定流量，單位為m3/h;

Qt—理論流量，單位為m3/h;

H—設(shè)計揚程，單位為m;

Hn—額定揚程，單位為m;

ns—比轉(zhuǎn)速;

k0—葉輪進(jìn)口速度系數(shù);

ku2—葉輪出口軸面速度系數(shù);

km2—葉輪出口軸面速度系數(shù);

u2—葉輪出口圓周速度，m/s;

vm2—葉輪出口軸面速度，m/s。

2 設(shè)計新思路的提出

現(xiàn)階段工程用消防泵存在的主要問題可以歸結(jié)為以下幾點：

（1）閥門全開，泵達(dá)不到1.5Qn。原因主要有兩點，一是在1.5倍流量工況前，泵已經(jīng)嚴(yán)重汽蝕;二是葉輪尺寸或蝸殼喉部面積設(shè)計不得當(dāng)，導(dǎo)致過流不通暢，開至大流量時，水力損失迅速增加，揚程下降過快。

（2）低比轉(zhuǎn)速泵（ns=20～50）性能曲線斜率小，軸功率上升快，易導(dǎo)致泵過載，不容易獲得有拐點的軸功率曲線。

（3）高比轉(zhuǎn)速泵（ns=150～300）特性曲線斜率過大，導(dǎo)致關(guān)死點揚程過高以及1.5倍流量時的揚程無法達(dá)到0.65Hn。

針對上述第一個問題，可通過加大過流通道尺寸，使泵在大流量時不易產(chǎn)生汽蝕且流道更加通暢等方法來解決。為此，本文提倡在設(shè)計前對工況點進(jìn)行預(yù)估，按預(yù)估工況點對泵進(jìn)行設(shè)計計算，以有效控制大流量點汽蝕的發(fā)生，同時控制高效點的位置，從而避免盲目加大葉輪和喉部面積帶來的不良后果。

另外，常規(guī)離心泵性能曲線形狀有著既定的趨勢和規(guī)律，其斜率往往隨著比轉(zhuǎn)速的增大而增大，其主要原因是葉輪和泵體幾何參數(shù)的不同導(dǎo)致了泵性能曲線趨勢上的差異，因此針對上文提出的斜率問題，在設(shè)計消防泵時加以考慮，以不同比轉(zhuǎn)速離心泵曲線的趨勢為依據(jù)，通過調(diào)整幾何參數(shù)來控制泵的斜率是一種較為簡便可靠的設(shè)計方法。

總結(jié)起來，按新思路設(shè)計消防泵就是在設(shè)計前預(yù)估工況點，并在設(shè)計時通過調(diào)整各個水力部件的幾何參數(shù)來控制曲線的斜率。

3 工況點預(yù)估方法介紹

工況點預(yù)估方法的主要特點是采用了加大設(shè)計流量的設(shè)計理念，其作用是通過加大設(shè)計流量后使得葉輪與泵體喉部比常規(guī)泵要更加通暢，從而提高大流量處的汽蝕性能和過流能力。近幾年來，筆者將1.15-1.2倍額定流量工況做為泵的設(shè)計工況進(jìn)行設(shè)計計算，獲得了另人滿意的效果。在實際應(yīng)用中，應(yīng)對不同比轉(zhuǎn)速加以區(qū)分，低比轉(zhuǎn)速泵取1.15Qn，高比轉(zhuǎn)速泵取1.2Qn，中等比轉(zhuǎn)速泵取中間值。

根據(jù)離心泵設(shè)計理論，除恒壓泵外，同一臺泵不同流量工況所對應(yīng)的揚程與額定工況揚程必然不同，但泵尚未設(shè)計出來，所以需要預(yù)估一個揚程為設(shè)計計算時所用。筆者根據(jù)消防規(guī)范對性能曲線的要求，結(jié)合大量消防泵試驗數(shù)據(jù)，給出了消防泵曲線趨勢（見圖1），設(shè)計時根據(jù)此圖趨勢先行采用CAD制圖軟件繪出曲線圖，再根據(jù)圖中方法確定出計算工況點。以低比轉(zhuǎn)速泵為例，選取1.15Qn作為泵的設(shè)計流量，在橫坐標(biāo)上找出其對應(yīng)坐標(biāo)，并往上作垂線與Q-H曲線相交，再從交點處作水平線與縱坐標(biāo)相交，得到揚程H，點A（1.15Qn，H）即為所求設(shè)計工況點。

4 葉輪水力設(shè)計

根據(jù)上文中所述預(yù)估工況點對葉輪水力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算。

4.1 葉輪進(jìn)口當(dāng)量直徑D0

對于一般水泵葉輪來講，按如下公式計算時，經(jīng)驗系數(shù)k0的選取范圍通常為3.5-5.5，而對于消防泵葉輪來講，考慮到進(jìn)口面積對過流能力的影響，推薦取k0=4.2-5.0，流量大、轉(zhuǎn)速高的泵取大值。

D0=k0（Q/n）1/3

4.2 葉輪出口直徑D2

根據(jù)速度系數(shù)公式求葉輪外徑D2時可按如下公式：

u2=ku2（2gH）1/2

其中ku2從圖2根據(jù)比轉(zhuǎn)速選取，算得葉輪出口圓周速度后可根據(jù)下式計算葉輪出口直徑。

D2=60u2/πn

4.3 葉片數(shù)Z

國內(nèi)離心泵葉片數(shù)大多為5至6片，能夠滿足一般離心泵的性能。但為了滿足消防泵的性能，葉片數(shù)的選取不能局限于此，稍多的葉片數(shù)有利于提高泵效率，減少葉輪出口液體的滑移，從而容易獲得較為平坦的曲線，故對于高比轉(zhuǎn)速消防泵，取稍多的葉片數(shù)更加合理。對于低比轉(zhuǎn)速泵，取較少的葉片數(shù)，更有利于獲得陡降的流量-揚程曲線。消防泵的葉片數(shù)可按下表選取。

4.4 葉片包角ψ

為了較好地控制擴(kuò)散，減少損失，需要選取相應(yīng)的包角來與葉片數(shù)匹配。對于低比轉(zhuǎn)速泵，由于選取的葉片數(shù)相對較少，應(yīng)選取較大的包角。考慮到低比轉(zhuǎn)速泵采用大包角時，不利于葉輪流道表面質(zhì)量，一般包角不大于180°。對于高比轉(zhuǎn)速泵，在保證良好的擴(kuò)散條件下，可選取較小的包角。具體設(shè)計時可參考圖3選取。

4.5 出口安放角β2

根據(jù)離心泵設(shè)計理論，性能曲線的斜率隨著β2增大而增大，故從上文提出的消防泵設(shè)計思路出發(fā)，希望低比轉(zhuǎn)速泵的β2取小些，高比轉(zhuǎn)速泵的β2取大些。在設(shè)計葉輪時，應(yīng)遵循葉片方格網(wǎng)繪型的規(guī)律，在選取安放角與包角時使兩者產(chǎn)生一個最佳匹配，力求獲得光滑順暢的葉輪型線，減小葉片間的水力損失。消防泵的β2推薦按圖4統(tǒng)計曲線選取。

4.6 葉輪出口寬度b2

葉輪出口寬度b2對消防泵性能有重要影響，就低比轉(zhuǎn)速消防泵而言，其設(shè)計思路是通過減小b2來增加曲線斜率，從而減小大流量處的軸功率，但葉輪出口過窄，清砂困難，葉輪流道鑄件質(zhì)量難以保證，降低了泵效率，軸功率反而增大，因此在設(shè)計低比轉(zhuǎn)速泵時，需要根據(jù)具體情況酌情選取，比如葉輪流量很小時，為確保鑄件質(zhì)量，可將葉輪出口寬度適當(dāng)加大。對于高比轉(zhuǎn)速泵，適當(dāng)加大出口寬度b2，性能曲線更加平坦，有利于保證1.5倍額定流量工況的性能。

文獻(xiàn)[2]中給出了速度系數(shù)法計算b2的公式：

b2=Qt/πD2ψ2vm2

ψ2-葉輪出口排擠系數(shù)，可將上述確定的參數(shù)代入下述公式進(jìn)行計算：

ψ2=1-zS2/πD2sinβ2

vm2-葉輪出口軸面速度，按如下公式計算：

vm2=km2（2gH）1/2

作者基于速度系數(shù)法，反算出了適用于消防泵的葉輪出口軸面速度系數(shù)km2，繪制于圖5，推薦按圖中系數(shù)計算葉輪出口寬度。

5 泵體水力設(shè)計

壓出室喉部面積F。據(jù)有關(guān)資料表明，喉部面積越大，關(guān)死點揚程越低，而額定揚程越高，揚程-流量曲線趨于平坦，因此取稍大的喉部面積對高比轉(zhuǎn)速泵而言是有利的。然而，低比轉(zhuǎn)速泵取稍小的喉部面積更容易獲得平坦的軸功率曲線。故在計算壓出室喉部面積時應(yīng)根據(jù)比轉(zhuǎn)速加以區(qū)分，一般情況下低比轉(zhuǎn)速泵按常規(guī)速度系數(shù)取值即可。

6 實例驗證

為了驗證上述設(shè)計思路的可行性，對XBD6.5/15-W型單級消防泵進(jìn)行了重新設(shè)計，參數(shù)為：Q=15L/s，H=66.3m，n=2950r/min，P=22kW，ns=56.9。

基于新思路，應(yīng)用上述公式及速度系數(shù)確定了泵的水力設(shè)計參數(shù)為，D0=76mm，D2=247，Z=5，ψ=170，β2=19°，b2=7mm，F(xiàn)=962。

根據(jù)GB/T3216-2016在上海連成測試臺上對該消防泵在吸深1m時的性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖6所示：

分析上述測試結(jié)果可知，該泵在設(shè)計點以及1.5Qn工況時的性能均能滿足消防要求，且在Q=87.7m3/h處軸功率出現(xiàn)了拐點。說明本文設(shè)計思路應(yīng)用于工程用消防泵的設(shè)計較為切實可行。

7 結(jié)語

總的來說，采用新思路并結(jié)合速度系數(shù)法來設(shè)計消防是一種比較簡單可靠的方法，只要遵循消防泵設(shè)計新思路，在傳統(tǒng)設(shè)計理念的基礎(chǔ)上不斷總結(jié)消防泵的設(shè)計規(guī)律并把握住幾個要點，就能設(shè)計出性能優(yōu)良的消防泵。本文所統(tǒng)計數(shù)據(jù)僅限于部分型號，往后對于消防泵的設(shè)計還應(yīng)在此基礎(chǔ)上不斷完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國公安部.GB6245-2006消防泵[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2]沈陽水泵研究所.葉片泵設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.