機械泵入式泡沫比例混合裝置設計

劉一凡，劉建華，胡緒社

(1.東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040；2.新鄉學院機電工程學院，河南新鄉 453003；3.新鄉市豫通泵業有限公司，河南新鄉 453002)

0 前言

隨著消防技術的發展，泡沫滅火系統在工業消防中得到了廣泛應用，其核心設備泡沫比例混合裝置同樣得到了快速發展。目前，國內外所采用的較為廣泛的泡沫比例混合裝置經歷了四代產品，即負壓式泡沫比例混合裝置、壓力式泡沫比例混合裝置、壓力平衡式泡沫比例混合裝置、計量注入式泡沫比例混合裝置。但這四代泡沫比例混合裝置都存在泡沫液不能隨時添加、結構復雜等缺陷。

針對上述缺陷，本文作者在分析國內外泡沫混合技術及消防系統的基礎上，設計一種機械泵入式泡沫比例混合裝置。該裝置從消防水中獲取動力,通過水輪機驅動泡沫泵，以實現將泡沫原液與水按一定比例混合，形成具有理想滅火效果的泡沫混合液。該裝置結構緊湊可靠、配置靈活，具有較高的性價比和廣闊的市場前景。

1 結構及工作原理

機械泵入式泡沫比例混合裝置的結構如圖1所示，水輪機和泡沫泵通過變速裝置連為一體,消防管道中的消防水驅動水輪機運轉，水輪機安裝在系統供水管道上，通過變速裝置(聯軸器、液力耦合器等)驅動泡沫泵運轉，泡沫泵排出的泡沫液通過排出管輸入水輪機出口管道，并在水輪機出口管道中與消防水混合，并形成具有精確混合比的泡沫混合液，從而保證較好的滅火效果。

圖1 機械泵入式泡沫比例混合裝置的結構

2 關鍵部件的分析與研究

機械泵入式泡沫比例混合裝置的關鍵部件包括水輪機和泡沫泵，泡沫泵選用柱塞泵，水輪機自行設計。

2.1 特殊水輪機設計

根據機械泵入式泡沫比例混合裝置的設計要求，水輪機的輸出轉速應與水流量成正比，且應有驅動泡沫泵所需的輸出扭矩。因此，水輪機采用容積式結構，綜合考慮水輪機的壽命，水輪機采用非接觸式結構，如圖2所示。水輪機主要由轉子、機殼及兩側蓋板組成，轉子和轉子之間、轉子和機殼之間存在較小的間隙。在水輪機中，轉子是核心部件，其型線決定水輪機的性能指標。

圖2 水輪機結構

2.1.1 轉子型線設計

綜合考慮水輪機轉子的壽命和可靠性，由于擺線型轉子不存在型線干涉和嚙合不穩定問題，水輪機轉子的端面型線采用擺線結構。任一瞬時,轉子理論型線必須滿足共軛條件，兩轉子在運轉中相互嚙合而沒有間隙的型線稱為理論型線。實際工作中為保證兩轉子正常運轉 ,兩轉子間需要一定的間隙。考慮間隙后的實際型線作為設計的轉子型線。如圖3所示，當兩轉子之間的間隙為時，轉子橫斷面沿型線方向縮小量為/2。根據擺線形成原理和圖3所示的幾何關系即可得到轉子型線方程，即、的軌跡方程。

圖3 擺線轉子的型線

轉子的內擺線實際型線方程(即點的軌跡方程)：

(1)

式中：0≤≤π(2)。

轉子的外擺線實際型線方程(即點的軌跡方程)：

(2)

式中:π(2)≤≤π。

2.1.2 水輪機的排量計算

水輪機的排量影響水輪機的轉速和輸出扭矩，直接影響泡沫混合裝置的混合比這一重要參數。其排量

=π2

(3)

式中：為水輪機的排量，m/r；為轉子的長度，m；為轉子面積利用系數；為轉子的最大直徑，m。

設計結果為：=0.27 m，=0.3 m，根據設計時轉子型線的繪型結果知=0.519 5，=0.017 846 55 m/r。

2.1.3 轉子嚙合參數的確定

(1)轉子間隙與葉片數

對于擺線型轉子，基于面積利用系數考慮，選取葉片數=2。為保證兩轉子正常運轉,兩轉子間及轉子與轉子腔壁間必須存在一定的間隙。 間隙是水輪機設計中的一個非常重要的結構參數，其大小影響水輪機的效率與運行可靠性等性能參數。間隙越小，水輪機的容積效率就越高;間隙越大，轉子間及轉子與殼體間的咬合與干涉的可能性越小。設計實際轉子型線及齒廓參數時主要考慮靜態間隙。 綜合考慮各種因素,初選靜態間隙為0.1～1 mm，具體間隙大小根據水輪機的內泄流量分析確定。

(2)泄漏量計算

由于間隙很小，可根據平行板縫隙流動的理論進行計算，總泄流量為

(4)

式中：為轉子寬度，m；為轉子間隙，m；Δ為水輪機進出口壓差，Pa；為間隙長度，m。

(3)壓降損失與泡沫混合比

水輪機輸出機械能

=Δ×=(-)×

泡沫泵的輸出機械能

=(-)×

根據能量守恒定律則有：

=×

即(-)×=×(-)×

泡沫混合比

==(+)

其中：為水輪機輸入壓力，MPa;為水輪機輸出壓力，MPa;為泡沫泵輸出壓力，MPa;為泡沫泵輸入壓力，MPa;為混合裝置的機組效率， %;為泡沫混合比， %；為泡沫混合液流量。

該設計中泡沫泵抽取出的泡沫液排出到水輪機出口，并在水輪機出口管道中進行混合，所以有=0、=。聯立上述關系則可推導出如下關系式：

(5)

公式(5)反映了水輪機的相對壓力損失與泡沫液混合比、總機械效率之間的關系，與其他因素無關。

2.2 泡沫液泵選型

根據混合比的定義，并考慮安全系數，泡沫液泵的額定流量為

(6)

式中:為安全系數，設計時，取=11。

由于水輪機的輸出轉速應與水流量成正比，泡沫泵選用柱塞泵。根據計算泡沫泵的額定流量和額定出口壓力參數,選擇泡沫液泵。該設計中泡沫泵選取3DP-60型柱塞泵。

3 試驗驗證

為驗證所設計產品的性能,委托河南某消防設備有限公司依據GB 20031—2005《泡沫滅火系統及部件通用技術條件》進行了型式試驗，結果如表1所示。

表1 機械泵入式泡沫比例混合裝置的壓力損失及混合比

由表1可看出：在不同的壓力下測得的壓降均不超過0.11 MPa,混合比為 3.1%～3.4%；水輪機進水壓力越大,壓力損失越大,且水輪機的壓力損失可以調控,進口壓力低于1.6 MPa時,壓降不超過 0.11 MPa；隨著水輪機進口流量增大,泡沫混合液流量增大，但混合比變化均在合格要求范圍內,可達到設計要求。

4 結論

所設計的機械泵入式泡沫比例混合裝置采用水輪機和泡沫泵一體的結構，利用消防水自身的能量驅動整個裝置運轉。文中給出了機械泵入式泡沫比例混合裝置及其核心部件特殊水輪機的設計方法，闡述了其結構和工作原理，并進行了型式試驗。結果表明：裝置中的壓力損失和泡沫混合比符合GB 20031—2005《泡沫滅火系統及部件通用技術條件》標準的要求。該裝置的研究開發有助于消防設備的設計、制造。