盧國(guó)軍 ,趙偉國(guó)

(1.上海凱泉泵業(yè)(集團(tuán))有限公司技術(shù)中心,上海 201804;2.甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

1 概述

為了響應(yīng)本公司消防自動(dòng)恒壓給水設(shè)備項(xiàng)目成功投產(chǎn)，滿足公司市場(chǎng)需要，針對(duì)GB27898.2-2011 固定消防給水設(shè)備用泵的特殊性，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的研究閱讀，從中歸納、摘錄出穩(wěn)壓泵組的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）穩(wěn)壓泵組的材料應(yīng)符合GB6245；（2）穩(wěn)壓泵組達(dá)到125%標(biāo)稱流量，泵組出水口壓力不應(yīng)大于泵組標(biāo)稱壓力的65%；（3）穩(wěn)壓泵組達(dá)到125%標(biāo)稱流量,泵組功率要不大于電機(jī)配套功率。

常規(guī)的離心泵特性曲線無(wú)法滿足固定消防給水設(shè)備的要求，因此需要突破常規(guī)進(jìn)行水泵葉輪的設(shè)計(jì)，由于目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)成熟的針對(duì)固定消防給水設(shè)備用泵的設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，故設(shè)計(jì)工作量大，難度高，試制成本高，由于項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期短，本次設(shè)計(jì)是結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，從而達(dá)到本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

2 設(shè)計(jì)思路

主要參數(shù)：

Q—設(shè)計(jì)流量，單位為m3/h；

H—設(shè)計(jì)揚(yáng)程，單位為m；

n—設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；

ns—比轉(zhuǎn)速，ns=3.65nQ0.5/H0.75；

D1—葉輪入口直徑，單位為mm；

D2—葉輪外徑，單位為mm；

b2—葉輪出口寬度，單位為mm；

g—重量加速度，一般取9.81m/s2；

b3—導(dǎo)葉進(jìn)口寬度，單位為mm。

設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的性能曲線如圖1 所示。

圖1 消防恒壓離心泵的性能曲線

本次設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)思路是速度系數(shù)法設(shè)計(jì)，通過(guò)圖1 性能曲線分析，為了滿足多工況性能要求及過(guò)流部件幾何參數(shù)對(duì)泵特性曲線的影響，初步確定用沖壓焊接離心泵改型，圍繞目前沖壓泵設(shè)計(jì)、制造等特殊性，在常規(guī)水泵設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，調(diào)整水泵設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合大量設(shè)計(jì)實(shí)例，通過(guò)對(duì)新設(shè)計(jì)的沖壓泵性能試驗(yàn)，大膽嘗試，尋找新的可靠設(shè)計(jì)，筆者經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)律并鋪以計(jì)算公式，圖表，逐步歸納出消防自動(dòng)恒壓給水設(shè)備用穩(wěn)壓泵的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2.1 葉輪型線設(shè)計(jì)宜采用的方法

（1）口徑≤25,比轉(zhuǎn)速≤50，宜采用單圓弧法繪制，有利于制造，尺寸容易保證，降低成本。如圖2 所示。

圖2 口徑≤25,比轉(zhuǎn)速≤50 的葉輪型線設(shè)計(jì)

（2）口徑≤40,比轉(zhuǎn)速≤90，宜采用單圓弧法繪制，有利于制造，尺寸容易保證，降低成本。如圖3 所示。

圖3 口徑≤40,比轉(zhuǎn)速≤90 的葉輪型線設(shè)計(jì)

（3）口徑≥50,比轉(zhuǎn)速〉90,如圖4 所示。

圖4 口徑≥50,比轉(zhuǎn)速〉90 的葉輪型線設(shè)計(jì)

2.2 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的確定

從圖1 數(shù)據(jù)分析，為了滿足1.25Qn 性能要求，需要對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行前移，筆者建議0.7Qn 數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)；關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程建議取1.4～1.5m。

（1）葉輪外徑D2。根據(jù)文獻(xiàn)中速度系數(shù)法設(shè)計(jì)，可知。

式中ku2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，有斯捷潘洛夫速度系數(shù)和國(guó)產(chǎn)統(tǒng)計(jì)速度系數(shù)圖[2]。

鑒于沖壓泵制造等內(nèi)部水力泄漏較大，結(jié)合筆者近幾年的沖壓泵設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)葉輪外徑計(jì)算取值上，可取ku2=1.01～1.15，比轉(zhuǎn)速越大取值越大。

（2）葉輪入口直徑。葉輪入口直徑宜采用公式D1=kD1*D2,式中kD1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，值為0.41～0.55,比轉(zhuǎn)速越大取值越大。

（3）葉輪出口寬度b2。根據(jù)文獻(xiàn)中速度系數(shù)法設(shè)計(jì)，可知。

式中km2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，鑒于沖壓泵葉片表面光滑，結(jié)合筆者近幾年的沖壓泵設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)葉輪外徑計(jì)算取值上，可取km2=0.06～0.15，比轉(zhuǎn)速越大取值越大.也宜可參考斯捷潘洛夫速度系數(shù)和國(guó)產(chǎn)統(tǒng)計(jì)速度系數(shù)圖表的，但一般建議取小值。

（4）葉輪出口安放角β2。結(jié)合制造難度、降成本及筆者近幾年經(jīng)驗(yàn)，宜選用28°～35°。

（5）葉片包角選擇。結(jié)合制造難度、降成本及筆者近幾年經(jīng)驗(yàn)宜選用90°～120°。

3 實(shí)例分析

改型設(shè)計(jì)實(shí)例的設(shè)計(jì)參數(shù)：

選擇對(duì)DP40-10×9 進(jìn)行改型設(shè)計(jì) (流量：Q=10m3/h;揚(yáng)程H=70m,轉(zhuǎn)速n=2930r/min，功率=3kw)。

根據(jù)性能測(cè)試數(shù)據(jù)表1 可以看出，1.25 流量點(diǎn)與額定流量點(diǎn)揚(yáng)程比值為0.85，不符合消防自動(dòng)恒壓給水設(shè)備用穩(wěn)壓泵標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，故對(duì)葉輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造。

表1 DP40-10x9 泵的性能測(cè)試數(shù)據(jù)

以下簡(jiǎn)要描述3CF-DP40-8-69 的設(shè)計(jì)過(guò)程及測(cè)試結(jié)果。

（1）設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的確定，Q=Qn*0.7=5.6，揚(yáng)程通過(guò)圖1 量取，本例單級(jí)揚(yáng)程取10m。

（2）葉輪型線根據(jù)比轉(zhuǎn)速選用如圖3 所示。

（3）葉輪進(jìn)口直徑D1計(jì) 算D1=kD1*D2，kD1取0.45，經(jīng)計(jì)算D1=43.2,取43.1。

（4）葉輪外徑D2計(jì)算,ku2取1.04,經(jīng)計(jì)算D2=96,取96。

（5）葉輪出口寬度b2計(jì)算,km2取0.099，經(jīng)計(jì)算b2=3.82,取3.8。

（6）葉片出口角β2,在其他參數(shù)不變時(shí),葉片出口安放角β2越大,葉輪外徑D2就越小,同時(shí)圓盤(pán)摩擦損失也越小,可以提高水泵的效率,故本例取32°。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制零件圖，加工，試生產(chǎn)。最終測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，參數(shù)均在表2 要求的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，符合穩(wěn)壓泵要求。

表2 3CF-DP40-8-69 泵的性能測(cè)試數(shù)據(jù)

泵型號(hào)：3CF-DP40-8-69 的主要參數(shù)：流量=8(m3/h)；揚(yáng)程=69m；功率=3kw；轉(zhuǎn)速=2930r/min。

（7）原型與改進(jìn)型Q-H 曲線比較。由圖5 可以看出，經(jīng)過(guò)葉輪的改型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的流量前移，揚(yáng)程比原型模型變小，1.25 流量點(diǎn)與額定流量點(diǎn)揚(yáng)程比值為0.58，且測(cè)試軸功率為2.41kw,符合穩(wěn)壓消防泵標(biāo)準(zhǔn)要求的性能曲線。

圖5 原型與改進(jìn)型Q-H 曲線比較

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)案例分析,用速度系數(shù)法設(shè)計(jì)消防自動(dòng)恒壓給水設(shè)備用穩(wěn)壓泵方法是可行的。

(2)本文通過(guò)速度系數(shù)法改進(jìn)設(shè)計(jì),在同類別消防自動(dòng)恒壓給水設(shè)備用穩(wěn)壓泵中已經(jīng)廣泛應(yīng)用,有很好的借鑒意義。

(3) 沖壓焊接式離心泵作為量大面廣的中小型鑄造離心泵理想換代產(chǎn)品,在我國(guó)研制年代較晚,水力設(shè)計(jì)方法還不是十分成熟,更普遍意義上的研究還需要大家的共同努力。