劉一凡，劉建華，胡緒社

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040；2.新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003；3.新鄉(xiāng)市豫通泵業(yè)有限公司，河南新鄉(xiāng) 453002)

0 前言

隨著消防技術(shù)的發(fā)展，泡沫滅火系統(tǒng)在工業(yè)消防中得到了廣泛應(yīng)用，其核心設(shè)備泡沫比例混合裝置同樣得到了快速發(fā)展。目前，國內(nèi)外所采用的較為廣泛的泡沫比例混合裝置經(jīng)歷了四代產(chǎn)品，即負(fù)壓式泡沫比例混合裝置、壓力式泡沫比例混合裝置、壓力平衡式泡沫比例混合裝置、計(jì)量注入式泡沫比例混合裝置。但這四代泡沫比例混合裝置都存在泡沫液不能隨時(shí)添加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷。

針對上述缺陷，本文作者在分析國內(nèi)外泡沫混合技術(shù)及消防系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置。該裝置從消防水中獲取動(dòng)力,通過水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)泡沫泵，以實(shí)現(xiàn)將泡沫原液與水按一定比例混合，形成具有理想滅火效果的泡沫混合液。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊可靠、配置靈活，具有較高的性價(jià)比和廣闊的市場前景。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，水輪機(jī)和泡沫泵通過變速裝置連為一體,消防管道中的消防水驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，水輪機(jī)安裝在系統(tǒng)供水管道上，通過變速裝置(聯(lián)軸器、液力耦合器等)驅(qū)動(dòng)泡沫泵運(yùn)轉(zhuǎn)，泡沫泵排出的泡沫液通過排出管輸入水輪機(jī)出口管道，并在水輪機(jī)出口管道中與消防水混合，并形成具有精確混合比的泡沫混合液，從而保證較好的滅火效果。

圖1 機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵部件的分析與研究

機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的關(guān)鍵部件包括水輪機(jī)和泡沫泵，泡沫泵選用柱塞泵，水輪機(jī)自行設(shè)計(jì)。

2.1 特殊水輪機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的設(shè)計(jì)要求，水輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)與水流量成正比，且應(yīng)有驅(qū)動(dòng)泡沫泵所需的輸出扭矩。因此，水輪機(jī)采用容積式結(jié)構(gòu)，綜合考慮水輪機(jī)的壽命，水輪機(jī)采用非接觸式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。水輪機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、機(jī)殼及兩側(cè)蓋板組成，轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子和機(jī)殼之間存在較小的間隙。在水輪機(jī)中，轉(zhuǎn)子是核心部件，其型線決定水輪機(jī)的性能指標(biāo)。

圖2 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1.1 轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)

綜合考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命和可靠性，由于擺線型轉(zhuǎn)子不存在型線干涉和嚙合不穩(wěn)定問題，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的端面型線采用擺線結(jié)構(gòu)。任一瞬時(shí),轉(zhuǎn)子理論型線必須滿足共軛條件，兩轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中相互嚙合而沒有間隙的型線稱為理論型線。實(shí)際工作中為保證兩轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn) ,兩轉(zhuǎn)子間需要一定的間隙。考慮間隙后的實(shí)際型線作為設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子型線。如圖3所示，當(dāng)兩轉(zhuǎn)子之間的間隙為時(shí)，轉(zhuǎn)子橫斷面沿型線方向縮小量為/2。根據(jù)擺線形成原理和圖3所示的幾何關(guān)系即可得到轉(zhuǎn)子型線方程，即、的軌跡方程。

圖3 擺線轉(zhuǎn)子的型線

轉(zhuǎn)子的內(nèi)擺線實(shí)際型線方程(即點(diǎn)的軌跡方程)：

(1)

式中：0≤≤π(2)。

轉(zhuǎn)子的外擺線實(shí)際型線方程(即點(diǎn)的軌跡方程)：

(2)

式中:π(2)≤≤π。

2.1.2 水輪機(jī)的排量計(jì)算

水輪機(jī)的排量影響水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，直接影響泡沫混合裝置的混合比這一重要參數(shù)。其排量

=π2

(3)

式中：為水輪機(jī)的排量，m/r；為轉(zhuǎn)子的長度，m；為轉(zhuǎn)子面積利用系數(shù)；為轉(zhuǎn)子的最大直徑，m。

設(shè)計(jì)結(jié)果為：=0.27 m，=0.3 m，根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)子型線的繪型結(jié)果知=0.519 5，=0.017 846 55 m/r。

2.1.3 轉(zhuǎn)子嚙合參數(shù)的確定

(1)轉(zhuǎn)子間隙與葉片數(shù)

對于擺線型轉(zhuǎn)子，基于面積利用系數(shù)考慮，選取葉片數(shù)=2。為保證兩轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn),兩轉(zhuǎn)子間及轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子腔壁間必須存在一定的間隙。 間隙是水輪機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其大小影響水輪機(jī)的效率與運(yùn)行可靠性等性能參數(shù)。間隙越小，水輪機(jī)的容積效率就越高;間隙越大，轉(zhuǎn)子間及轉(zhuǎn)子與殼體間的咬合與干涉的可能性越小。設(shè)計(jì)實(shí)際轉(zhuǎn)子型線及齒廓參數(shù)時(shí)主要考慮靜態(tài)間隙。 綜合考慮各種因素,初選靜態(tài)間隙為0.1～1 mm，具體間隙大小根據(jù)水輪機(jī)的內(nèi)泄流量分析確定。

(2)泄漏量計(jì)算

由于間隙很小，可根據(jù)平行板縫隙流動(dòng)的理論進(jìn)行計(jì)算，總泄流量為

(4)

式中：為轉(zhuǎn)子寬度，m；為轉(zhuǎn)子間隙，m；Δ為水輪機(jī)進(jìn)出口壓差，Pa；為間隙長度，m。

(3)壓降損失與泡沫混合比

水輪機(jī)輸出機(jī)械能

=Δ×=(-)×

泡沫泵的輸出機(jī)械能

=(-)×

根據(jù)能量守恒定律則有：

=×

即(-)×=×(-)×

泡沫混合比

==(+)

其中：為水輪機(jī)輸入壓力，MPa;為水輪機(jī)輸出壓力，MPa;為泡沫泵輸出壓力，MPa;為泡沫泵輸入壓力，MPa;為混合裝置的機(jī)組效率， %;為泡沫混合比， %；為泡沫混合液流量。

該設(shè)計(jì)中泡沫泵抽取出的泡沫液排出到水輪機(jī)出口，并在水輪機(jī)出口管道中進(jìn)行混合，所以有=0、=。聯(lián)立上述關(guān)系則可推導(dǎo)出如下關(guān)系式：

(5)

公式(5)反映了水輪機(jī)的相對壓力損失與泡沫液混合比、總機(jī)械效率之間的關(guān)系，與其他因素?zé)o關(guān)。

2.2 泡沫液泵選型

根據(jù)混合比的定義，并考慮安全系數(shù)，泡沫液泵的額定流量為

(6)

式中:為安全系數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)，取=11。

由于水輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)與水流量成正比，泡沫泵選用柱塞泵。根據(jù)計(jì)算泡沫泵的額定流量和額定出口壓力參數(shù),選擇泡沫液泵。該設(shè)計(jì)中泡沫泵選取3DP-60型柱塞泵。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能,委托河南某消防設(shè)備有限公司依據(jù)GB 20031—2005《泡沫滅火系統(tǒng)及部件通用技術(shù)條件》進(jìn)行了型式試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置的壓力損失及混合比

由表1可看出：在不同的壓力下測得的壓降均不超過0.11 MPa,混合比為 3.1%～3.4%；水輪機(jī)進(jìn)水壓力越大,壓力損失越大,且水輪機(jī)的壓力損失可以調(diào)控,進(jìn)口壓力低于1.6 MPa時(shí),壓降不超過 0.11 MPa；隨著水輪機(jī)進(jìn)口流量增大,泡沫混合液流量增大，但混合比變化均在合格要求范圍內(nèi),可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的機(jī)械泵入式泡沫比例混合裝置采用水輪機(jī)和泡沫泵一體的結(jié)構(gòu)，利用消防水自身的能量驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)。文中給出了機(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)的設(shè)計(jì)方法，闡述了其結(jié)構(gòu)和工作原理，并進(jìn)行了型式試驗(yàn)。結(jié)果表明：裝置中的壓力損失和泡沫混合比符合GB 20031—2005《泡沫滅火系統(tǒng)及部件通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的要求。該裝置的研究開發(fā)有助于消防設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造。