包珺 童輝云 樂毅成

(中國船舶重工集團公司第七一二研究所, 武漢 430064)

S型單級雙吸中開離心泵的額定轉(zhuǎn)速通常是1450 rpm，柴油機的額定轉(zhuǎn)速通常是1500 rpm和1800 rpm。由于柴油機的轉(zhuǎn)速可以在±50 rpm范圍內(nèi)調(diào)整，并且柴油機的性能和功率沒有影響，所以應(yīng)急柴油機水泵機組[1]一般選用額定轉(zhuǎn)速為1450 rpm的 S型雙吸中開離心泵和額定轉(zhuǎn)速為1500 rpm的柴油機，通過高彈聯(lián)軸器或離合器連接水泵和柴油機。

對于同一型號的柴油機，額定轉(zhuǎn)速為 1800 rpm時比額定轉(zhuǎn)速為1500 rpm時功率高約10%，價格卻是一樣的。因此，如果能將水泵的轉(zhuǎn)速提高到1750 rpm，就能降低柴油機和水泵的采購成本，提高應(yīng)急柴油機水泵機組的市場競爭力。

1 提速原理和利弊分析

根據(jù)離心泵的比例定律[2]，對同一臺離心泵：

式中：n─轉(zhuǎn)速；Q─流量；H─揚程；P─軸功率；NPSHr─汽蝕余量。

式(1)、(2)表明：水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比。對于同一臺水泵，提速后流量和揚程會提高。反之，如果流量和揚程不變，提速后的水泵就可以是型號較小的泵型，價格自然就會降低。

Omega型水泵采用的是德國技術(shù)，其原型是60 Hz即轉(zhuǎn)速為1750 rpm。國內(nèi)廠家根據(jù)中國國情將水泵轉(zhuǎn)速改為1450 rpm，水泵的性能參數(shù)也做了相應(yīng)的改變。因此，Omega型水泵可以提速到1750 rpm。Omega型水泵提速后，可能帶來一些弊端，因此，要對水泵的主要性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)部件進行分析：

1) 水泵的汽蝕余量

水泵汽蝕發(fā)生時，會產(chǎn)生振動和噪聲，葉輪局部地方在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，材料表面疲勞，從點蝕到形成嚴重的蜂窩狀空洞損壞葉輪。水泵的流量、揚程和效率急劇下降，嚴重時甚至吸不上水。由式（4）可以計算出，水泵轉(zhuǎn)速由1450 rpm提高到1750 rpm后，汽蝕余量會提高約46%。因此為保證水泵正常運轉(zhuǎn)，提速設(shè)計時要考慮水泵的汽蝕余量和水泵進口壓力，確保水泵提速后不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

2) 水泵的振動

水泵的振動太大會影響水泵的性能和壽命。水泵的振動級別分為A、B、C、D四級，D為不合格[3]。水泵的振動評價方法是首先按水泵的中心高和轉(zhuǎn)速查表1確定水泵類別，再根據(jù)水泵的振動烈度值查表2可得到評價水泵的振動級別。

表1 水泵分類

表2 水泵的振動評價表

3) 水泵的噪聲

用三個極限值LA、LB、LC把水泵的噪聲分為A、B、C、D四級，D為不合格[4]。式中：LA、LB、LC─劃分水泵噪聲級別的限值，dB；Pu─水泵的輸出功率，kW；n─水泵轉(zhuǎn)速，rpm。

當Pun≤27101.3時，噪聲值L≤85 dB評價為合格，可以不去區(qū)別其噪聲的級別；當 Pun＞27101.3時，L≤LA評為 A 級，LA＜L≤LB評為 B 級，LB＜L≤LC評為C級，L＞LC評為D級。

4）水泵主軸受力分析

水泵的軸用來傳遞扭矩，驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)。在軸上固定有水泵的葉輪、軸承、密封裝置及聯(lián)軸節(jié)等部件，因此，軸的受力分析特別重要。軸的轉(zhuǎn)矩計算為：

式中：Mn─軸的轉(zhuǎn)矩，Nm；P─水泵軸功率；kW；n─水泵的轉(zhuǎn)速，rpm。

式（8）表明：水泵提速后，軸的轉(zhuǎn)矩會減小。

5）水泵軸承壽命分析。

軸承用來支撐轉(zhuǎn)子零件，并承受零件上的多種載荷，其額定壽命計算為：

式中：Lh─額定壽命，h； n─水泵的轉(zhuǎn)速； c─額定動負荷；p─當量動負荷；ε─壽命系數(shù)。

式（9）表明：水泵提速后，軸承的額定壽命會變大。

6）水泵的密封裝置

為了保證水泵的正常工作，應(yīng)防止液體外漏和內(nèi)漏，或外界空氣吸入泵內(nèi)，因此必須在葉輪與泵殼間、軸與殼體間裝有密封裝置。常用的密封裝置有填料密封和機械密封。機械密封的泄漏量極小，壽命長，對軸的摩擦力小，功率損失小，耐振動性好。因此，提速的水泵應(yīng)選用機械密封。

2 提速實例設(shè)計

某鋼廠高爐用應(yīng)急柴油機水泵機組要求流量為970 m3/h，揚程為125 m，要求選用美國康明斯柴油機。

按傳統(tǒng)設(shè)計方法，水泵選用200-670型水泵，該泵轉(zhuǎn)速為1450 rpm，效率為77%，汽蝕余量為5.0,軸功率為 429 kW，配套柴油機為QSK19-G2,533 kW/1500 rpm。

現(xiàn)采用水泵提速設(shè)計方案，水泵選用200-520型水泵，該泵轉(zhuǎn)速提到1750 rpm，效率為83%，汽蝕余量為6.0，軸功率為398 kW，配套柴油機為QSX15-G9，507 kW/1800 rpm。

很明顯，提速方案中水泵和柴油機的型號變小，因此，機組結(jié)構(gòu)更緊湊，外形更?。凰闷g余量雖然加大了，但由于水泵進口為倒灌水，沒有影響；由于泵型選用合理，該泵的效率也更高。

通過試驗表明，水泵的振動和噪聲雖然有所加大，但仍然滿足標準要求；柴油機的振動也滿足國家標準[5]要求。

3 結(jié)束語

應(yīng)急柴油機水泵機組提速研究和試驗結(jié)果表明，應(yīng)急柴油機水泵機組的提速在確保機組性能和滿足用戶要求的前提下，優(yōu)化了機組配套設(shè)計，降低了主要外購件的采購成本。

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[1]七一二研究所企業(yè)標準. Q/712J43-2003應(yīng)急/消防柴油機水泵機組. 2003年1月.

[2]陳乃祥, 吳玉林. 離心泵. 北京：機械工業(yè)出版社.2002年5月.

[3]機械部標準. JB/T8097-1999泵的振動測量與評價方法. 1999年.

[4]機械部標準.JB/T8098-1999泵的噪聲測量與評價方法. 1999年.

[5]國家標準.GB/T10397-2003中小功率柴油機 振動評級. 2003年11月.