機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的研制與典型應(yīng)用

劉益民

（上海金盾消防安全設(shè)備有限公司，上海，201318）

機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的研制與典型應(yīng)用

劉益民

（上海金盾消防安全設(shè)備有限公司，上海，201318）

介紹了消防用泡沫比例混合裝置的產(chǎn)品進(jìn)化史與各代產(chǎn)品的優(yōu)劣，給出了第五代產(chǎn)品（機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置）的原理理論分析，參照葉片泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和前人的研究，設(shè)計(jì)了泡沫比例混合裝置的核心部件（一種特殊水輪機(jī)）。為使水輪機(jī)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，對(duì)核心部件的材質(zhì)進(jìn)行了合理選擇，并使用運(yùn)動(dòng)模擬軟件分析了水輪機(jī)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后試制的泡沫比例混合裝置性能完全滿足工程需要。最后舉例說(shuō)明了這種泡沫比例混合裝置的典型應(yīng)用。

機(jī)械泵入；泡沫比例混合裝置；水輪機(jī)；葉片泵

0 引言

消防用主流泡沫液有水成膜泡沫、蛋白泡沫、氟蛋白泡沫、抗溶泡沫、高倍泡沫、A類泡沫和合成泡沫等幾種［1］。其中只有合成泡沫可以與水預(yù)混后儲(chǔ)存，在消防系統(tǒng)啟動(dòng)后直接將泡沫混合液噴出滅火。使用其他幾種泡沫的消防系統(tǒng)中，泡沫比例混合裝置是系統(tǒng)的核心，不管是泡沫噴頭、泡沫產(chǎn)生器、泡沫炮還是其他某種泡沫系統(tǒng)，工作時(shí)泡沫原液都需要先按一定比例與水混合。目前泡沫比例混合裝置主要有以下四代產(chǎn)品。

第一代產(chǎn)品為負(fù)壓式泡沫比例混合裝置，泡沫液儲(chǔ)存在常壓容器中，消防水通過(guò)比例混合器的時(shí)候，泡沫液入口產(chǎn)生負(fù)壓，將泡沫液吸入與消防水混合形成泡沫混合液。這種泡沫比例混合裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泡沫液隨時(shí)可以添加，缺點(diǎn)是泡沫混合比無(wú)法穩(wěn)定控制。

第二代產(chǎn)品為壓力式泡沫比例混合裝置，泡沫液儲(chǔ)存在耐壓容器（泡沫液罐）中的膠囊內(nèi)，一部分消防水進(jìn)入泡沫液罐，將膠囊中的泡沫液擠出，而另一部分消防水通過(guò)比例混合器的時(shí)候產(chǎn)生負(fù)壓，將從膠囊中擠出的泡沫液吸入消防水與之混合形成泡沫混合液［2－5］。這種泡沫比例混合裝置的優(yōu)點(diǎn)是泡沫混合比相對(duì)第一代產(chǎn)品較為穩(wěn)定，缺點(diǎn)是泡沫液容量有限，用完后無(wú)法隨時(shí)添加。

第三代產(chǎn)品為壓力平衡式泡沫比例混合裝置，泡沫液儲(chǔ)存在常壓容器中，泡沫液通過(guò)泡沫泵加壓輸送至壓力平衡閥，壓力平衡閥通過(guò)平衡泡沫液壓力與消防水壓，確保能夠通過(guò)壓力平衡閥進(jìn)入比例混合器的泡沫液壓力與消防水壓保持壓差基本恒定，多余泡沫液通過(guò)回液管道輸送回到泡沫液罐［6－8］。由于壓力平衡閥可以讓進(jìn)入比例混合器的消防水和泡沫液壓力差保持相對(duì)穩(wěn)定，因此，這種泡沫比例混合裝置的泡沫混合比更加穩(wěn)定，且泡沫液也可隨時(shí)添加，但設(shè)備結(jié)構(gòu)較第二代更為復(fù)雜，除了有能量浪費(fèi)外，還存在平衡閥失效導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

以上三代產(chǎn)品為現(xiàn)階段消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的主流，它們共有一個(gè)核心部件：比例混合器。正因如此，這三代產(chǎn)品只適用于泡沫混合比較大的泡沫液，而且能夠使用的消防水流量范圍通常都較窄，最大的缺陷在于比例混合器帶來(lái)的消防水大幅壓降。

第四代產(chǎn)品為計(jì)量注入式泡沫比例混合裝置，泡沫液儲(chǔ)存在常壓容器中，消防水管道中安裝流量計(jì)，流量信號(hào)傳送至控制器，控制器按照設(shè)定的泡沫混合比和消防水流量計(jì)算出所需的泡沫液流量，并通過(guò)控制變頻器、變頻電機(jī)、容積泵將需要的泡沫液從泡沫液罐中抽出注入消防水管道，與消防水混合形成泡沫混合液［9，10］。這種泡沫比例混合裝置擁有眾多優(yōu)點(diǎn)：可隨時(shí)添加泡沫液；如果選用了合理的流量計(jì)，消防水流量范圍可以很廣；由于泡沫混合不再需要比例混合器，因此就不存在壓降；泡沫混合比可隨時(shí)在控制器中設(shè)置，混合比可大可小，使用非常方便。但缺點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，且系統(tǒng)的供電可靠性要求較高。

還有一些其他的計(jì)量注入式泡沫比例混合方法，如同時(shí)在消防水管道和泡沫液管道安裝流量計(jì)，兩路流量信號(hào)傳送至控制器計(jì)算泡沫混合比，并將計(jì)算值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，如果計(jì)算值大于預(yù)設(shè)值，則通過(guò)泡沫液管道上電控閥門開度的減少調(diào)整泡沫液流量，反之則增加閥門開度［11］。不管是何種原理的計(jì)量注入式泡沫比例混合裝置，第四代產(chǎn)品的泡沫混合原理與前三代產(chǎn)品都有著本質(zhì)的區(qū)別，也因此導(dǎo)致現(xiàn)有產(chǎn)品無(wú)法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用［12－14］。

基于前四代產(chǎn)品的優(yōu)劣分析，本文參照相關(guān)文獻(xiàn)［15］設(shè)計(jì)了第五代泡沫比例混合裝置：機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置，及其核心部件：一種特殊水輪機(jī)。新一代泡沫裝置只有三個(gè)基本組成部件：水輪機(jī)、聯(lián)軸器和泡沫泵，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、系統(tǒng)能量利用率高、可靠性高、泡沫液可以隨時(shí)添加等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)工作時(shí)，由安裝在消防供水管道上的水輪機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能，通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)泡沫泵，泡沫泵將常壓泡沫罐中的泡沫加壓注入消防供水管道中，與消防水混合。設(shè)置合適的水輪機(jī)參數(shù)，挑選正確的泡沫泵后，泡沫混合比就可以保持恒定，而不管消防水流量如何變化。如果讓水輪機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與通過(guò)水輪機(jī)的流量成正比，泡沫泵的輸出流量與泡沫泵的轉(zhuǎn)速也成正比，由于水輪機(jī)與泡沫泵之間使用聯(lián)軸器連接保證了兩者的轉(zhuǎn)動(dòng)同速，就可以讓泡沫液的流量與消防水的流量之比得以保持恒定。

1 機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置原理分析

機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的主體原理如圖1所示。圖中的圓圈為水輪機(jī)，大方框?yàn)榕菽?，選用容積泵即可保證輸出泡沫流量與轉(zhuǎn)速成正比，圓圈與大方框之間的小方框?yàn)槁?lián)軸器。設(shè)Pin，Qin分別是消防供水的壓力和水輪機(jī)輸入流量；Pout，Qout是泡沫裝置輸出時(shí)的壓力和流量；A為水輪機(jī)機(jī)械效率乘以傳動(dòng)軸（聯(lián)軸器或其他齒輪變速箱）效率，再乘以柱塞泵效率之積；pfin，qf是泡沫輸入壓力和輸入流量，當(dāng)泡沫液儲(chǔ)存在常壓容器中時(shí)，pfin＝0；pf，qf是注入消防供水管道中的泡沫壓力和流量，很顯然pf＝Pout；

圖1 機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置原理Fig.1 Elementary diagram of mechanical injection foam proportioner

由前文可知，水輪機(jī)壓力損失ΔP＝Pin－Pout，從而得到水輪機(jī)輸出機(jī)械能wout＝ΔP×Qin＝（Pin－Pout）×Qin，考慮總機(jī)械效率A后，泡沫泵的輸入機(jī)械能為Wpumpin＝Wout×A，而泡沫泵的輸出機(jī)械能Wpumpout＝（pf－pfin）×qf，再由Wpumpin＝Wpumpout可知 （pf－pfin）×qf＝A×（Pin－Pout）×Qin。設(shè)泡沫混合比為α，由于Qout＝Qin＋qf，那α＝qf÷Qout＝qf÷（Qin＋qf），再加上pfin＝0、pf＝Pout等條件，可以推導(dǎo)出式1與式2。

從公式2可知水輪機(jī)的相對(duì)壓力損失只與泡沫液混合比、總機(jī)械效率有關(guān)，跟通過(guò)裝置的水流量，泡沫流量等參數(shù)無(wú)關(guān)。當(dāng)泡沫比例混合裝置的輸出端的流量系數(shù)是K時(shí)，消防供水管道上的壓降ΔP與流量Qout之間的關(guān)系為式3。

公式3說(shuō)明系統(tǒng)壓降與輸出流量的平方成正比，與泡沫噴射裝置的流量系數(shù)的平方成反比。設(shè)泡沫混合比為3%（常用水成膜泡沫混合比為3%）、總機(jī)械效率為80%、流量系數(shù)K為500（與泡沫產(chǎn)生器PC8與PC16各一個(gè)時(shí)的K系數(shù)相近）、泡沫裝置的輸入壓力為0.8MPa（泡沫系統(tǒng)工作壓力范圍為0.6MPa～1.2MPa），從公式2、3可知：當(dāng)水輪機(jī)輸入總流量達(dá)到1386.6L／min時(shí)，系統(tǒng)壓力損失只有0.028MPa，僅為輸入壓力值的3.5%，而且ΔP ＝1.456×10－8Q2out。（備注：上述公式涉及的參數(shù)中，壓強(qiáng)單位為MPa，流量單位為L(zhǎng)／min。）

2 特殊水輪機(jī)設(shè)計(jì)

機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的核心在于一種特殊的水輪機(jī)。有別于現(xiàn)有的常規(guī)水輪機(jī)，泡沫裝置要求水輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速跟水流量成正比，而且有足夠的輸出扭矩以驅(qū)動(dòng)泡沫泵。前一特性恰好與容積泵的特性相同，只是能量轉(zhuǎn)換方向不同，水輪機(jī)是將消防水的能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能，而容積泵正好相反。因此，如果將某種結(jié)構(gòu)的容積泵進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模顾稍鹊膹膭?dòng)裝置變成驅(qū)動(dòng)裝置，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置。

結(jié)構(gòu)與水輪機(jī)相似的容積泵是葉片泵，它定義為通過(guò)葉輪的旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為水能（勢(shì)能、動(dòng)能、壓能）的水力機(jī)械［16］。專著上的葉片泵包括離心泵、混流泵、軸流泵、滑片泵或其他特殊的泵，狹義葉片泵只有滑片泵一種容積泵?；迷斫Y(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由轉(zhuǎn)子、定子（即泵體）、滑片及兩側(cè)蓋板所組成。依靠偏心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)泵缸與轉(zhuǎn)子上相鄰兩葉片間所形成的工作容積的變化來(lái)輸送液體或使流體增壓。轉(zhuǎn)子是具有徑向槽的圓柱體，槽內(nèi)安放滑片，滑片可以在槽內(nèi)自由滑動(dòng)。轉(zhuǎn)子偏心地安放在泵體內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑片依靠離心力或彈簧力緊壓在泵體的內(nèi)壁上。在轉(zhuǎn)子前半轉(zhuǎn)，相鄰兩葉片所包圍的空間逐漸增大形成局部真空而吸人液體。而后半轉(zhuǎn)，此空間逐漸減小，擠壓液體，將液體壓送到排出管中。

很顯然，如果直接將滑片泵的流體輸出端與輸入端反接，滑片泵就具有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)輸出的可能。但現(xiàn)有結(jié)構(gòu)太過(guò)于復(fù)雜，而且效能低下，最重要的是現(xiàn)有滑片泵幾乎全部只能用于輸送油類，直接將輸送介質(zhì)更換為水后，密封問(wèn)題和潤(rùn)滑問(wèn)題變得非常突出。為了解決這些問(wèn)題，本文對(duì)滑片泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)作了一些優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種特殊結(jié)構(gòu)的定子、轉(zhuǎn)子和兩個(gè)滑片，同時(shí)為相關(guān)零件選擇了合適的材質(zhì)和密封方法。最終設(shè)計(jì)成功的定子結(jié)構(gòu)如圖3所示，滑片結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 滑片泵示意圖Fig.2 Sketch of sliding vane pump

圖3 特殊水輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Internal structure sketch of the special hydroturbine

圖4 滑片結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Sketch of sliding vane

由圖3可知，水輪機(jī)主體由外殼、定子、轉(zhuǎn)子和兩個(gè)滑片組成。圖4中兩個(gè)滑片完全相同，均為C形，成十字相對(duì)交叉與轉(zhuǎn)軸上的十字槽間隙配合安裝，滑片長(zhǎng)度等于定子上下兩圓弧面半徑之和。定子內(nèi)腔由四段圓弧面構(gòu)成，其中上下兩段圓弧面共軸，左右圓弧面對(duì)稱。當(dāng)內(nèi)腔一側(cè)水壓高于另一側(cè)時(shí)，兩個(gè)滑片的扭矩之和推動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，滑片同時(shí)在轉(zhuǎn)軸十字槽內(nèi)滑動(dòng)。上下圓弧面夾角根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果選擇合適值，并合理設(shè)計(jì)左右兩側(cè)圓弧面后，可以使滑片跟隨轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不出現(xiàn)死點(diǎn)，也不產(chǎn)生泄露。設(shè)上下兩段圓弧面半徑分別為r（m），R（m），定子厚度為H（m）后，可以得到水輪機(jī)通過(guò)流量Qin（m3／min）與輸出轉(zhuǎn)速 M（rpm）的關(guān)系式（式4）與輸出理論扭矩N（N＊m）的計(jì)算公式（式5）。設(shè)r＝80mm、R＝100mm、H＝100mm，其他參數(shù)與上文一樣，則可算出水輪機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為1227rpm，輸出扭矩為5.04N＊m。

當(dāng)泡沫泵轉(zhuǎn)動(dòng)所需扭矩大于水輪機(jī)輸出扭矩時(shí)，水輪機(jī)被迫降低轉(zhuǎn)速。而水輪機(jī)每轉(zhuǎn)通過(guò)的流量只跟R、r、H有關(guān)，因此轉(zhuǎn)速降低后流經(jīng)水輪機(jī)水流量將減少，以致無(wú)法滿足滅火應(yīng)用端的供水需要，水輪機(jī)出水口壓力隨之降低。于是ΔP變大，從公式5可知水輪機(jī)輸出扭矩也隨之變大，直到與泡沫泵正常運(yùn)行時(shí)扭矩相等，此時(shí)泡沫比例混合裝置的最大流量就受制于泡沫泵的輸入扭矩N，最大流量計(jì)算公司如式6所示。例如泡沫泵轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩為36N×m時(shí)，本裝置最大運(yùn)行流量就只有1224.7L／min。而當(dāng)泡沫泵轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩小于水輪機(jī)輸出扭矩時(shí)，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速則只跟滅火應(yīng)用端的用水量相關(guān)。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

圖5是本文設(shè)計(jì)的樣品，水輪機(jī)入水口、進(jìn)水口通徑DN100，選用的泡沫泵為隔膜柱塞泵，水輪機(jī)出口使用蝶閥調(diào)節(jié)流量。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)此規(guī)格機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置可使用的流量范圍為300L／min～2000L／min，適用壓力范圍為 0MPa～1.6MPa，泡沫混合比3.0%，水流相對(duì)壓力損失為4%?；?、轉(zhuǎn)軸以及內(nèi)腔之間的微量泄漏以及機(jī)械傳動(dòng)的能量損耗導(dǎo)致總體機(jī)械效率只達(dá)到了70%。

4 機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的典型應(yīng)用

圖6給出的是機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的典型應(yīng)用，圖中消防水泵將水箱中的消防水加壓輸送到滅火應(yīng)用區(qū)，只需要在輸送管道上像安裝閥門那樣，將機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的水輪機(jī)安裝到管道中，并將泡沫裝置上的泡沫泵入口管道與泡沫箱出口管道相連，將泡沫泵輸出連接到水輪機(jī)后的供水管道即可。如系統(tǒng)使用后需要對(duì)泡沫泵進(jìn)行清洗，只需從供水管道上引出水管，連接到泡沫泵入口，使用三通球閥切換清洗管道和供泡沫液管道即可。對(duì)比圖7的壓力平衡式泡沫比例混合裝置應(yīng)用原理，可以發(fā)現(xiàn)第五代泡沫比例混合裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊，可靠性更高，可以預(yù)見(jiàn)機(jī)械泵入式泡沫裝置在不久的將來(lái)?yè)碛袕V闊的應(yīng)用前景。

圖5 樣品照片F(xiàn)ig.5 Sample photo

圖6 典型系統(tǒng)應(yīng)用Fig.6 Typical usage in a system

圖7 壓力平衡式泡沫系統(tǒng)原理Fig.7 Elementary diagram of pressure-balanced foam system

5 結(jié)論

本文先介紹了消防用泡沫比例混合裝置的產(chǎn)品進(jìn)化史，參考葉片泵原理和相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置及其核心部件特殊水輪機(jī)，給出了原理分析和樣品驗(yàn)證結(jié)果，最后舉例說(shuō)明了這種泡沫比例混合裝置的典型應(yīng)用方法。機(jī)械泵入式具有泡沫液可隨時(shí)添加、系統(tǒng)壓降小、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、混合比精確、無(wú)需額外供電等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

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R＆D and typical usage of mechanical injection foam proportioner

LIU Yi-min

（Shanghai Jindun Fire-Fighting Security Equipment Co.，Ltd，Shanghai，201318，China）

In this paper，different generations of foam based fire-fighting systems and their characteristics are first summarized.Based on the theoretical analysis of mechanical injection proportioner，the core component（a special hydro-turbine）for the fifth generation of foam proportioner is designed by referring to the interior structure of vane pump and former research.In order to optimize the hydro-turbine，specific materials of the nucleus structures are chosen，computer based motion simulation software is used to analyze the interior structure，and the design is improved based on analysis.The testing model shows that this kind of foam system can meet the engineering demand.Typical usage of such proportioner is described as a sample system at the end.

Mechanical injection；Foam proportioner；Hydro-turbine；Vane pump

X915.5

A

1004-5309（2012）-0040-05

2011-11-30；修改日期：2011-12-29

劉益民（1979-），男，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士，安全技術(shù)及工程專業(yè)、研究方向?yàn)榍鍧嵏咝缁稹?/p>