提高消防泵零流量壓力的設(shè)計(jì)方法研究

楊善明

（上海熊貓機(jī)械（集團(tuán)）有限公司，上海 215000）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量諸如火災(zāi)等事故頻發(fā)，對(duì)環(huán)境、人員安全和財(cái)產(chǎn)等造成重大損失。同時(shí)也對(duì)消防人員的人身安全具有一定威脅[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年美國(guó)共發(fā)生了138.85萬起火災(zāi)事故，約造成除消防員外共3 500名人員死亡，1.52萬名人員受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失更是達(dá)到了219億美元，消防人員平均每23 s就需響應(yīng)一次火災(zāi)事故[3]。而消防泵作為消防供水設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性對(duì)消防系統(tǒng)在面臨火災(zāi)時(shí)能否發(fā)揮應(yīng)有作用具有重要影響，因此，國(guó)家對(duì)消防泵的性能等要求也越來越高。

目前，我國(guó)經(jīng)過“中國(guó)強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證”質(zhì)量體系認(rèn)證過的消防泵均為離心泵，其根據(jù)消防泵的性能曲線覆蓋范圍以及應(yīng)用的場(chǎng)合主要可分為立式、臥式、單級(jí)與多級(jí)消防泵，主要技術(shù)指標(biāo)有揚(yáng)程、流量等[4-5]。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在消防系統(tǒng)及設(shè)備的規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)化制定上走在前列。其中，美國(guó)消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 20在國(guó)際上應(yīng)用最廣，也是國(guó)際最主流的消防標(biāo)準(zhǔn)[6]。NF?PA 20要求消防泵廠家提供消防泵實(shí)際測(cè)得的性能曲線，曲線通常由關(guān)閥點(diǎn)、額定流量點(diǎn)、150%額定流量點(diǎn)等組成[7-8]。消防泵的零流量壓力是我國(guó)國(guó)標(biāo)提出的幾個(gè)新的壓力概念之一[9]。我國(guó)的消防泵標(biāo)準(zhǔn)GB6245-2006的6.4.2.3工況3中規(guī)定：零流量壓力不高于額定壓力的1.4倍[10]；在消防泵標(biāo)準(zhǔn)GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的5.1.6-4中，對(duì)消防泵提出了更加嚴(yán)格的規(guī)定：消防水泵流量揚(yáng)程性能曲線應(yīng)為無駝峰、無拐點(diǎn)的光滑曲線，且零流量時(shí)壓力不高于額定壓力的1.4倍且不低于額定壓力1.2倍，對(duì)消防泵的零流量工作壓力提出了具體要求[11]。

目前，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者在如何提高消防泵零流量壓力的設(shè)計(jì)方法研究較少，本文通過CFD數(shù)值模擬與工程運(yùn)用實(shí)例相結(jié)合，對(duì)提高消防泵零流量時(shí)最大工作壓力的具體方法進(jìn)行研究，為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

1 消防泵零流量時(shí)工作壓力計(jì)算

1.1 零流量時(shí)工作壓力常用計(jì)算方法

目前常用零流量下最大工作壓力常用以下兩種公式進(jìn)行計(jì)算：

斯托道拉（Stodla）公式[12-13]：

式中：σ為斯托道拉滑移系數(shù)；π為圓周率；D2為葉輪外徑，m；n為轉(zhuǎn)速，r/min；g為重力加速度，m/s2。

斯托道拉（Stodla）修正公式[14]：

式中：ns為比轉(zhuǎn)速；π為圓周率；D為葉輪外徑；m，n為轉(zhuǎn)速，r/min；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)以上兩個(gè)公式可以看出，零流量時(shí)工作壓力H0與比轉(zhuǎn)速ns、葉輪外徑D、轉(zhuǎn)速n有關(guān)。

葉輪外徑計(jì)算按葉輪實(shí)際出口角β2取值來計(jì)算。葉輪出口角越小，葉輪外徑越大；葉輪出口角越大，葉輪外徑越小。

以上公式通常更適用于普通離心泵，當(dāng)用于消防泵時(shí)計(jì)算出的零流量下壓力結(jié)果精確度往往不高，因此需要借助于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬分析軟件，對(duì)不同比轉(zhuǎn)速下面消防泵零流量下的壓力進(jìn)行分析。

1.2 CFD數(shù)值模擬

零流量下工作壓力與比轉(zhuǎn)速關(guān)系較大，通過取不同的比轉(zhuǎn)速來進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。比轉(zhuǎn)速ns的計(jì)算公式為[12-13]：

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Q為水泵設(shè)計(jì)流量，m3/s；H為水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程，m；i為泵的級(jí)數(shù)（在此為1）。

分別取比轉(zhuǎn)速ns=60、80、100、120、140、160、180來試驗(yàn)（比轉(zhuǎn)速ns＞180，汽蝕余量比較大，很難滿足消防泵1.5倍流量吸深1 m的要求）。額定流量、額定壓力保持不變，通過改變?nèi)~輪出口角β2來實(shí)現(xiàn)。

泵零流量運(yùn)行時(shí)，通常在葉輪密封環(huán)處會(huì)發(fā)生泄漏，具體泄漏量可由容積效率得出，容積效率公式如下所示：

式中：ηv為容積效率；ns為比轉(zhuǎn)速。

泄漏量為泵真實(shí)運(yùn)行時(shí)流量的損失。取泄漏量為泵的出口流量，這樣模擬分析出來的結(jié)果與真實(shí)運(yùn)行零流量下工作壓力結(jié)果比較接近。

下面通過取不同的比轉(zhuǎn)速，對(duì)零流量工作壓力進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。

2 消防泵有限元模型建立

單級(jí)消防泵一般由4部分組成，即對(duì)進(jìn)水段、葉輪、渦殼、出水段，其裝配體如圖1所示。

圖1 消防泵裝配體

2.1 網(wǎng)格剖分

對(duì)進(jìn)水段（圖2）、葉輪（圖3）、渦殼殼（圖4）、出水段（圖5）進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 進(jìn)水段

圖3 葉輪

圖4 渦殼

圖5 出水段

2.2 邊界條件設(shè)置

設(shè)置泵的出口流量為泄漏量，其他參數(shù)按正常條件設(shè)置。設(shè)置完成后對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。圖6所示為CFD邊界條件設(shè)置。

圖6 邊界條件設(shè)置

3 仿真結(jié)果

CFD零流量下壓力數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)值如圖7和表1所示。

圖7 CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

表1 CFD零流量下壓力數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)值

經(jīng)過大量CFD數(shù)值模擬結(jié)果分析，零流量下壓力H0與額定工作壓力p的比值如表2所示。

表2 零流量下壓力H0與額定工作壓力p的比值

由CFD數(shù)值模擬結(jié)果可以看出：比轉(zhuǎn)速ns小于100時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)零流量下壓力大于額定壓力的1.2倍；比轉(zhuǎn)速ns在100～120區(qū)間，葉輪出口角需取小于或等于20°，零流量壓力才能大于額定壓力的1.2倍；比轉(zhuǎn)速ns在120～180之間，滿足零流量時(shí)壓力不高于額定壓力的1.4倍且不低于額定壓力1.2倍要求。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，盡量選比轉(zhuǎn)速ns在100～180之間，即滿足零流量壓力在額定壓力的1.2～1.4倍之間，安裝高度又能滿足1.5倍額定流量吸深1 m的要求，水泵還能在高效區(qū)間內(nèi)運(yùn)行（比轉(zhuǎn)速ns在120～210為水泵運(yùn)行的高效區(qū)間）。

以上分析可以看出，泵的比轉(zhuǎn)速?zèng)Q定零流量下的工作壓力，通過改變比轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)消防泵零流量壓力在額定壓力的1.2～1.4倍。

由比轉(zhuǎn)速公式可知，改變比轉(zhuǎn)速的方法包括：改變泵的轉(zhuǎn)速；改變?nèi)~輪單級(jí)壓力；改變泵的流量。

4 工程運(yùn)用實(shí)例

通常情況下，比轉(zhuǎn)速的改變通過改變轉(zhuǎn)速或改變?nèi)~輪的單級(jí)壓力來實(shí)現(xiàn)，而泵的流量一般是固定參數(shù)，不對(duì)其進(jìn)行更改。

4.1 改變泵的轉(zhuǎn)速

如原設(shè)計(jì)參數(shù)：額定流量50 L/s，額定出口壓力0.47 MPa，額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min；比轉(zhuǎn)速ns=66，難以實(shí)現(xiàn)零流量時(shí)壓力不高于額定壓力的1.4倍且不低于額定壓力1.2倍，通過把轉(zhuǎn)速改成2 900 r/min，額定流量和額定出口壓力保持不變，更改后比轉(zhuǎn)速為ns=132，表3、表4為比轉(zhuǎn)速ns更改前后測(cè)試性能數(shù)據(jù)對(duì)比。

表3 轉(zhuǎn)速1 450 r/min，比轉(zhuǎn)速n s=66測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 轉(zhuǎn)速2 900 r/min，比轉(zhuǎn)速n s=132測(cè)試數(shù)據(jù)

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出。

（1）原比轉(zhuǎn)速ns=66，流量揚(yáng)程曲線平坦；更改之后比轉(zhuǎn)速ns=132，流量揚(yáng)程曲線陡峭且1.5倍流量時(shí)軸功率小。

（2）原配套電機(jī)為45 kW/4，更改后配套電機(jī)37 kW/2即可，能夠有效節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。

（3）額定壓力1.2倍（0.47×1.2=0.564）MPa，額定壓力1.4倍（0.47×1.4=0.658）MPa，更改前零流量壓力0.50 MPa，0.50 MPa<0.564 MPa，不能滿足規(guī)范要求；更 改 后 零 流 量 壓 力0.58 MPa，0.564 MPa≤0.58 MPa≤0.658 MPa，滿足規(guī)范零流量時(shí)壓力不高于額定壓力的1.4倍且不低于額定壓力1.2倍的要求。

（4）額定流量50 L/s時(shí)，更改后比轉(zhuǎn)速ns=132與原比轉(zhuǎn)速ns=66時(shí)相比效率提高10%左右。

4.2 改變?nèi)~輪單級(jí)壓力

如原設(shè)計(jì)參數(shù)：額定流量15 L/s，額定壓力1.26 MPa，轉(zhuǎn)速2 900 r/min；比轉(zhuǎn)速ns=34，很難實(shí)現(xiàn)零流量時(shí)壓力不高于額定壓力的1.4倍且不低于額定壓力1.2倍，通過改變單級(jí)額定壓力，單級(jí)額定壓力改為0.21 MPa，用6個(gè)葉輪串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)（0.21×6=1.26 MPa），額定流量和額定壓力保持不變，更改后比轉(zhuǎn)速為ns=130，表5、表6所示為比轉(zhuǎn)速ns更改前后測(cè)試性能對(duì)比。

表5 單級(jí)額定壓力1.26 MPa，比轉(zhuǎn)速n s=34測(cè)試數(shù)據(jù)

表6 額定壓力1.26 MPa（6個(gè)葉輪串聯(lián)，單級(jí)額定壓力0.21 MPa），比轉(zhuǎn)速n s=130測(cè)試數(shù)據(jù)

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出。

（1）原比轉(zhuǎn)速ns=34，流量揚(yáng)程曲線平坦，更改之后比轉(zhuǎn)速ns=130，流量揚(yáng)程曲線陡峭且1.5倍軸功率要小。

（2）原配套電機(jī)為45 kW/2，更改后配套電機(jī)37 kW/2即可，能夠有效節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。

（3）額定壓力1.2倍（1.26×1.2=1.512）MPa，額定壓力1.4倍（1.26×1.4=1.764）MPa，更改前零流量壓力為1.32 MPa，1.32 MPa<1.512 MPa，不能滿足規(guī)范要求；更改后零流量壓力為1.56 MPa，1.512 MPa≤1.56 MPa≤1.764 MPa，滿足規(guī)范零流量時(shí)壓力不高于額定壓力的1.4倍且不低于額定壓力1.2倍的要求。

（4）額定流量15 L/s時(shí)，更改后比轉(zhuǎn)速ns=130與原比轉(zhuǎn)速ns=34時(shí)相比效率要提高20%左右。

5 結(jié)束語

通過對(duì)消防泵進(jìn)行CFD數(shù)值模擬以及工程運(yùn)用實(shí)例進(jìn)行研究分析，得出如下結(jié)論。

（1）為滿足GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，零流量時(shí)壓力不高于額定壓力的1.4倍且不低于額定壓力1.2倍要求，比轉(zhuǎn)速ns應(yīng)選在100～180左右。

（2）可以通過改變轉(zhuǎn)速或改變?nèi)~輪單級(jí)壓力來改變比轉(zhuǎn)速，使比轉(zhuǎn)速ns達(dá)到100～180左右，但不建議選比轉(zhuǎn)速ns大于180（比轉(zhuǎn)速大于180時(shí)，汽蝕余量比較大，消防泵要求1.5倍額定流量吸深1 m）。

（3）比轉(zhuǎn)速ns在120～180屬于水泵運(yùn)行高效率區(qū)域，效率高且運(yùn)行曲線陡峭，可降低配套電機(jī)功率，不僅能夠節(jié)約能源，還能降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。