工程用消防泵水力设计新思路及应用
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作者:陆霞杰
摘 要：从现有工程用消防泵存在的问题入手，寻找总体设计思路，提出一种预估工况点的新思路，并给出适用于工程用消防泵的水力设计公式及速度系数。最后通过实例对设计思路、公式、系数进行了验证，结果表明该设计思路切实可行，为企业开发工程用消防泵提供了参考依据，具有一定的应用价值。
关键词：消防泵;新思路;水力设计
1 绪论
消防泵属于消防给水和消火栓系统中的核心关键设备，其作用是在一定的时间内达到并保持所需的出水流量和出水压力，以确保能够迅速将火扑灭，减少火灾危害、保护人身和财产安全。我国现行消防规范《GB6245-2005消防泵》[1]中明确规定消防水泵流量扬程性能曲线应无驼峰、无拐点的光滑曲线，零流量时的压力不应大于设计压力的140%;当出流量为设计流量的150%时，其出口压力不应低于设计工作压力的65%。
近年来，随着消防安全意识的不断提升以及消防验收规范的严格要求，消防泵的性能受到广泛关注，但其技术要求高，设计难度大，传统水力设计方法无法满足其开发工作。本文基于传统速度系数设计法，通过整理消化现有消防泵水力设计参数和试验数据，初步统计了适用于消防泵的速度系数，同时提出了一种新的思路来满足消防泵的设计要求。
为便于读者理解，对下文中出现的参数符号进行说明：
Q—设计流量，单位为m3/h;
Qn—额定流量，单位为m3/h;
Qt—理论流量，单位为m3/h;
H—设计扬程，单位为m;
Hn—额定扬程，单位为m;
ns—比转速;
k0—叶轮进口速度系数;
ku2—叶轮出口轴面速度系数;
km2—叶轮出口轴面速度系数;
u2—叶轮出口圆周速度，m/s;
vm2—叶轮出口轴面速度，m/s。
2 设计新思路的提出
现阶段工程用消防泵存在的主要问题可以归结为以下几点：
（1）阀门全开，泵达不到1.5Qn。原因主要有两点，一是在1.5倍流量工况前，泵已经严重汽蚀;二是叶轮尺寸或蜗壳喉部面积设计不得当，导致过流不通畅，开至大流量时，水力损失迅速增加，扬程下降过快。
（2）低比转速泵（ns=20～50）性能曲线斜率小，轴功率上升快，易导致泵过载，不容易获得有拐点的轴功率曲线。
（3）高比转速泵（ns=150～300）特性曲线斜率过大，导致关死点扬程过高以及1.5倍流量时的扬程无法达到0.65Hn。
针对上述第一个问题，可通过加大过流通道尺寸，使泵在大流量时不易产生汽蚀且流道更加通畅等方法来解决。为此，本文提倡在设计前对工况点进行预估，按预估工况点对泵进行设计计算，以有效控制大流量点汽蚀的发生，同时控制高效点的位置，从而避免盲目加大叶轮和喉部面积带来的不良后果。
另外，常规离心泵性能曲线形状有着既定的趋势和规律，其斜率往往随着比转速的增大而增大，其主要原因是叶轮和泵体几何参数的不同导致了泵性能曲线趋势上的差异，因此针对上文提出的斜率问题，在设计消防泵时加以考虑，以不同比转速离心泵曲线的趋势为依据，通过调整几何参数来控制泵的斜率是一种较为简便可靠的设计方法。
总结起来，按新思路设计消防泵就是在设计前预估工况点，并在设计时通过调整各个水力部件的几何参数来控制曲线的斜率。
3 工况点预估方法介绍
工况点预估方法的主要特点是采用了加大设计流量的设计理念，其作用是通过加大设计流量后使得叶轮与泵体喉部比常规泵要更加通畅，从而提高大流量处的汽蚀性能和过流能力。近几年来，笔者将1.15-1.2倍額定流量工况做为泵的设计工况进行设计计算，获得了另人满意的效果。在实际应用中，应对不同比转速加以区分，低比转速泵取1.15Qn，高比转速泵取1.2Qn，中等比转速泵取中间值。
根据离心泵设计理论，除恒压泵外，同一台泵不同流量工况所对应的扬程与额定工况扬程必然不同，但泵尚未设计出来，所以需要预估一个扬程为设计计算时所用。笔者根据消防规范对性能曲线的要求，结合大量消防泵试验数据，给出了消防泵曲线趋势（见图1），设计时根据此图趋势先行采用CAD制图软件绘出曲线图，再根据图中方法确定出计算工况点。以低比转速泵为例，选取1.15Qn作为泵的设计流量，在横坐标上找出其对应坐标，并往上作垂线与Q-H曲线相交，再从交点处作水平线与纵坐标相交，得到扬程H，点A（1.15Qn，H）即为所求设计工况点。
4 叶轮水力设计
根据上文中所述预估工况点对叶轮水力参数进行设计计算。
4.1 叶轮进口当量直径D0
对于一般水泵叶轮来讲，按如下公式计算时，经验系数k0的选取范围通常为3.5-5.5，而对于消防泵叶轮来讲，考虑到进口面积对过流能力的影响，推荐取k0=4.2-5.0，流量大、转速高的泵取大值。
D0=k0（Q/n）1/3
4.2 叶轮出口直径D2
根据速度系数公式求叶轮外径D2时可按如下公式：
u2=ku2（2gH）1/2
其中ku2从图2根据比转速选取，算得叶轮出口圆周速度后可根据下式计算叶轮出口直径。
D2=60u2/πn
4.3 叶片数Z
国内离心泵叶片数大多为5至6片，能够满足一般离心泵的性能。但为了满足消防泵的性能，叶片数的选取不能局限于此，稍多的叶片数有利于提高泵效率，减少叶轮出口液体的滑移，从而容易获得较为平坦的曲线，故对于高比转速消防泵，取稍多的叶片数更加合理。对于低比转速泵，取较少的叶片数，更有利于获得陡降的流量-扬程曲线。消防泵的叶片数可按下表选取。 4.4 葉片包角ψ
为了较好地控制扩散，减少损失，需要选取相应的包角来与叶片数匹配。对于低比转速泵，由于选取的叶片数相对较少，应选取较大的包角。考虑到低比转速泵采用大包角时，不利于叶轮流道表面质量，一般包角不大于180°。对于高比转速泵，在保证良好的扩散条件下，可选取较小的包角。具体设计时可参考图3选取。
4.5 出口安放角β2
根据离心泵设计理论，性能曲线的斜率随着β2增大而增大，故从上文提出的消防泵设计思路出发，希望低比转速泵的β2取小些，高比转速泵的β2取大些。在设计叶轮时，应遵循叶片方格网绘型的规律，在选取安放角与包角时使两者产生一个最佳匹配，力求获得光滑顺畅的叶轮型线，减小叶片间的水力损失。消防泵的β2推荐按图4统计曲线选取。
4.6 叶轮出口宽度b2
叶轮出口宽度b2对消防泵性能有重要影响，就低比转速消防泵而言，其设计思路是通过减小b2来增加曲线斜率，从而减小大流量处的轴功率，但叶轮出口过窄，清砂困难，叶轮流道铸件质量难以保证，降低了泵效率，轴功率反而增大，因此在设计低比转速泵时，需要根据具体情况酌情选取，比如叶轮流量很小时，为确保铸件质量，可将叶轮出口宽度适当加大。对于高比转速泵，适当加大出口宽度b2，性能曲线更加平坦，有利于保证1.5倍额定流量工况的性能。
文献[2]中给出了速度系数法计算b2的公式：
b2=Qt/πD2ψ2vm2
ψ2-叶轮出口排挤系数，可将上述确定的参数代入下述公式进行计算：
ψ2=1-zS2/πD2sinβ2
vm2-叶轮出口轴面速度，按如下公式计算：
vm2=km2（2gH）1/2
作者基于速度系数法，反算出了适用于消防泵的叶轮出口轴面速度系数km2，绘制于图5，推荐按图中系数计算叶轮出口宽度。
5 泵体水力设计
压出室喉部面积F。据有关资料表明，喉部面积越大，关死点扬程越低，而额定扬程越高，扬程-流量曲线趋于平坦，因此取稍大的喉部面积对高比转速泵而言是有利的。然而，低比转速泵取稍小的喉部面积更容易获得平坦的轴功率曲线。故在计算压出室喉部面积时应根据比转速加以区分，一般情况下低比转速泵按常规速度系数取值即可。
6 实例验证
为了验证上述设计思路的可行性，对XBD6.5/15-W型单级消防泵进行了重新设计，参数为：Q=15L/s，H=66.3m，n=2950r/min，P=22kW，ns=56.9。
基于新思路，应用上述公式及速度系数确定了泵的水力设计参数为，D0=76mm，D2=247，Z=5，ψ=170，β2=19°，b2=7mm，F=962。
根据GB/T3216-2016在上海连成测试台上对该消防泵在吸深1m时的性能进行了测试，测试结果如图6所示：
分析上述测试结果可知，该泵在设计点以及1.5Qn工况时的性能均能满足消防要求，且在Q=87.7m3/h处轴功率出现了拐点。说明本文设计思路应用于工程用消防泵的设计较为切实可行。
7 结语
总的来说，采用新思路并结合速度系数法来设计消防是一种比较简单可靠的方法，只要遵循消防泵设计新思路，在传统设计理念的基础上不断总结消防泵的设计规律并把握住几个要点，就能设计出性能优良的消防泵。本文所统计数据仅限于部分型号，往后对于消防泵的设计还应在此基础上不断完善。
参考文献：
[1]中华人民共和国公安部.GB6245-2006消防泵[S].北京：中国标准出版社，2006.
[2]沈阳水泵研究所.叶片泵设计手册[M].北京：机械工业出版社，1983.
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