船用泵若干技術(shù)問題研究

吳 仁 榮

（704研究所，上海 200030）

0 引 言

船用泵是一類流體機(jī)械，它涉及多方面和多學(xué)科的理論和專業(yè)知識。根據(jù)長期技術(shù)工作中的經(jīng)驗和體會，針對船用離心泵在設(shè)計、制造和使用過程中所產(chǎn)生的若干工程技術(shù)問題作一探討和建議。

1 確定船用泵的需用技術(shù)參數(shù)

船用泵的需用技術(shù)參數(shù)，就是泵的實際使用參數(shù)，這些參數(shù)將影響到船用泵產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和使用質(zhì)量。

通常泵的需用技術(shù)參數(shù)指的是泵的流量Q、揚程H汽蝕余量NPSH。

出于對用泵系統(tǒng)功能或工況參數(shù)計算精度的考慮，以及對用泵系統(tǒng)運行工況變化和安全性的考慮，經(jīng)常會在泵的實際使用參數(shù)上添加一定的余量，也即是將其需用流量Q和揚程H值增大一個相應(yīng)的百分比，有時也會將泵的汽蝕余量NPSH降低一個相應(yīng)的數(shù)值。這樣，用戶在向供方提交泵的設(shè)計計算參數(shù)時，就在泵的需用性能參數(shù)值上人為地加大了某種增量。而泵的設(shè)計者出于某種考慮，在開展設(shè)計計算之前再對用戶所提出的參數(shù)值給予某種增量，從而使泵的設(shè)計計算參數(shù)值再次被人為地加大。

為此，建議船用泵用戶或用泵系統(tǒng)的設(shè)計者在確定泵的需用參數(shù)時，除了應(yīng)首先對泵的輸入條件和輸出參數(shù)進(jìn)行比較準(zhǔn)確的計算外，在向設(shè)計或供方提出泵的需要參數(shù)時應(yīng)以此計算值為基礎(chǔ)。如果出于某種考慮或需要而將此計算值適當(dāng)?shù)卦龃髸r，那么不要將流量Q值和揚程H值同時增大。一般情況下，對于流量Q值較小而揚程H值較高的泵（即低比轉(zhuǎn)速泵）只將H值適量提高，而對流量Q值較大而揚程H值較低的泵（即中高比轉(zhuǎn)速泵）只將Q值適量加大。

船用泵汽蝕余量NPSH值是表征其綜合技術(shù)性能優(yōu)劣的一個特性參數(shù)，對設(shè)計和供方來說是一個十分重要的設(shè)計計算參數(shù)，而且對用戶也是一個十分重要的使用參數(shù)。一般認(rèn)為其數(shù)值越小，表示泵的汽蝕性能較好，數(shù)值越大則汽蝕性能較差。

2 確定船用泵的設(shè)計計算參數(shù)

船用泵的供方在收到用戶的船用泵需用性能參數(shù)之后確定泵的設(shè)計計算參數(shù)。由于泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及與其相關(guān)要素的需要和影響，在一般情況下，新泵的設(shè)計計算參數(shù)與用戶所提出的泵的需用參數(shù)是會存在某些差異的。

對船用離心泵而言，通常的設(shè)計方法是將用戶所提出的泵的需用性能參數(shù)直接或略加修改后利用計算機(jī)和相關(guān)的設(shè)計計算軟件繪制出泵主要過流零件的型線；或者利用所掌握的或外購的水力模型采用常規(guī)的相似換算法獲取設(shè)計泵過流零件的型線；或者根據(jù)所擁有的相關(guān)資料及自身的工作經(jīng)驗采用類如速度系數(shù)法等方法自行繪制過流零件的型線。當(dāng)然這些都只是新泵設(shè)計計算工作的基礎(chǔ)。在確定泵的輸入計算參數(shù)時，應(yīng)考慮到設(shè)計泵的工作狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特征、工藝需求以及使用條件并借助自己的工作經(jīng)驗。這樣才能理解用戶對泵的需用參數(shù)與泵的設(shè)計計算輸入?yún)?shù)之間的差異，才能夠正確地確定泵設(shè)計計算參數(shù)。

由于對船用泵汽蝕性能參數(shù)NPSH的了解不充分，因而在設(shè)計計算過程中忽視對氣蝕性能要求，以致出現(xiàn)各種不同的問題，如在泵的汽蝕性能相似的情況下，將兩相似泵的汽蝕余量值認(rèn)定為相等，或者是將同一臺泵在轉(zhuǎn)速不同情況下的汽蝕余量值認(rèn)為相同等。

船用泵的轉(zhuǎn)速n值是設(shè)計計算中不可缺少的一個基本參數(shù)，但在設(shè)計計算中經(jīng)常發(fā)生設(shè)計泵額定轉(zhuǎn)速取值不當(dāng)。如某船用泵系列產(chǎn)品，取同一個額定轉(zhuǎn)速值 2900r/min或者 2950r/min。由于系列產(chǎn)品中不同的泵有不同的軸功率，需要配用不同功率的電動機(jī)。但不同額定功率值的配用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速值并不相同，就使部分系列泵產(chǎn)品的額定轉(zhuǎn)速值與其驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速值不同，從而在實船運行中性能參數(shù)出現(xiàn)某種偏差。

如有一船用臥式離心泵系列產(chǎn)品，取額定轉(zhuǎn)速為2950r/min。配用額定功率為2.2kW的船用交流電機(jī)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 2840r/min。此種泵在裝船后的實際運行過程中，由于配用電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速低于2950r/min，因此泵的流量Q和揚程H都會比要求值低。流量減少約3.7%，揚程降低約7.3%。再如某一船用離心泵的額定轉(zhuǎn)速為 2900r/min，配用了額定功率為30kW的船用交流電機(jī)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 2955r/min。由于電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速高于2900r/min，泵的流量和揚程值都會高于需要值。實際流量偏高大約1.9%，揚程偏高約3.6%。

3 控制泵的設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)

船用泵的可靠性是通過設(shè)計、制造和使用等方面來保證的，因此泵的加工、工藝、裝配和檢驗等生產(chǎn)流程是保證泵的性能參數(shù)和使用壽命的關(guān)鍵。由于對泵的設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)控制不當(dāng)，常會影響到泵的綜合技術(shù)性能。

過流零件關(guān)鍵過流尺寸的鑄造誤差是泵生產(chǎn)制造過程的主要誤差之一。葉輪葉片出口寬度值的超差和沿圓周寬度值的不等性以及葉片沿圓周的不均勻分布是最常見的鑄造偏差。這些誤差都會對泵的性能參數(shù)和運行質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。此外，葉輪葉片進(jìn)口邊的鑄造質(zhì)量和螺旋形壓水室的鑄造質(zhì)量都是影響泵的水力性能的一種因素。

機(jī)械加工零件的尺寸精度和表面粗糙度是根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)特點和裝配要求而確定的，但由于檢驗人員的忽視，形位公差超標(biāo)引起泵的裝配和運行故障時有發(fā)生。值得提出的是，對于多級段的長軸泵，除了要對每個裝配零件的機(jī)械加工尺寸精度進(jìn)行合格性檢驗之外，還應(yīng)在泵進(jìn)行總裝配之前對尺寸精度進(jìn)行尺寸鏈的計算，必要時可增補(bǔ)調(diào)整環(huán)零件來調(diào)整和消除尺寸鏈的計算偏差。

船用泵加工制造和裝配流程中的中間試驗和檢驗，對于保證泵的裝配和運行質(zhì)量也是十分重要的。這些試驗包括葉輪和轉(zhuǎn)子的靜平衡和動平衡試驗、承壓零部件的水壓強(qiáng)度試驗和整泵的水密性試驗。中間試驗方法和檢驗標(biāo)準(zhǔn)，可見相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和說明書。根據(jù)多年工作實踐，認(rèn)為有必要提高試驗和檢驗要求。比如，船用離心泵的泵體和泵蓋大多為鑄銅件，幾何形狀比較復(fù)雜，壁厚值的差異較大，進(jìn)行水壓強(qiáng)度試驗時保壓時間不夠，所以會將水壓試驗的保壓時間由5min提高至10min。另外，對于某些船用泵的葉輪和轉(zhuǎn)子提出靜平衡和動平衡的要求。為了降低泵的運行振動和噪聲，將平衡精度由G6.3級提高到G3.5級，對于用汽輪機(jī)驅(qū)動的高速船用泵，甚至取用更高的平衡精度。

值得指出的是，泵的裝配過程是保證泵設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要階段。除了在泵的設(shè)計圖紙上標(biāo)注相關(guān)的技術(shù)參數(shù)和要求外，泵的裝配質(zhì)量還取決于裝配工藝的要求和裝配人員的技術(shù)水平。比如軸向間隙值的測量和保證，圓周間隙的測量和調(diào)整，滾動軸承的裝配，潤滑脂注入量的控制，軸封的裝配和檢查，泵轉(zhuǎn)子軸心線水平度的調(diào)整以及泵與電機(jī)同心度的檢查等。

4 控制和調(diào)整泵的正常運行工況

按照說明書上規(guī)定的步驟來操控泵的使用狀態(tài)，能夠保證船用泵本身和用泵系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性和安全性。然而泵在使用過程中常常會出現(xiàn)某些不規(guī)范的操控，即在不關(guān)閉出口管道閥門的情況下起動泵和突然停車，或未能正確地利用出口管道閥門的開度來控制和調(diào)節(jié)泵的運行工況。

對于船用離心泵和混流泵等動力泵而言，軸功率曲線是隨著泵流量的增大而上升的，在泵的流量為零即泵出口管道上閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時的軸功率值為最小，此時泵的驅(qū)動電機(jī)的功率值也為最小。當(dāng)出口管道閥門具有一定開度甚至是全開的情況下起動泵，此時泵的流量就會在短時間內(nèi)達(dá)到某個量值，泵的驅(qū)動電機(jī)的功率也會急劇增大到某個量值。由于電機(jī)的起動電流是正常工作電流的高倍值，因此會出現(xiàn)過載電流導(dǎo)致電機(jī)燒損。

在出口管道閥門具有某種開度甚至是全開的情況下使泵突然停車，會出現(xiàn)破壞性的故障。對于船用離心泵和混流泵等動力泵而言，在正常運行狀態(tài)下，其出口壓力總是要高于進(jìn)口壓力。如果此時電源突然切斷，泵的葉輪突然減速直至停止轉(zhuǎn)動，葉輪所產(chǎn)生的壓力逐漸降低。當(dāng)出口管道中的液體壓力高于葉輪所產(chǎn)生的壓力時，管道中的液體就有可能產(chǎn)生倒流。在出口管道上配置有單向閥的情況下，雖然會阻止葉輪因液體倒流而產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)，但會在出口管路上產(chǎn)生某種程度的水錘現(xiàn)象和壓力脈動，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致機(jī)械損傷并造成用泵系統(tǒng)功能失效或破壞。

最常見到的情況是未能正確利用出口管道上的閥門來調(diào)節(jié)和控制泵的運行工況。其一是在泵的進(jìn)口沒有配置真空表或真空壓力表，不能得知泵的進(jìn)口壓力或真空參數(shù)，而僅僅依據(jù)泵的出口壓力表數(shù)值來判斷和調(diào)節(jié)其運行工況，其二是雖依據(jù)泵的進(jìn)口和出口測壓儀表的數(shù)值來判斷或調(diào)節(jié)泵的運行工況，但卻沒有考慮到泵的實際轉(zhuǎn)速對運行工況參數(shù)的影響，使運行工況參數(shù)出現(xiàn)偏差。

離心泵的揚程值是其出口壓力和進(jìn)口壓力的差或出口壓力和進(jìn)口真空的和。如果只考慮泵的出口壓力，那么泵的揚程值在進(jìn)口壓力為真空值時就顯得偏低，此時只能通過調(diào)小閥門來提升，從而使泵的實際流量減小，如果此時泵的進(jìn)口壓力為正值時，泵的揚程值就顯得偏高，采用加大閥門開度來降低揚程會使實際流量增大，有可能造成電機(jī)過載或其它故障。

另一種情況是在船用泵的實用輸液管道中無法采用儀表測量泵的流量，因此如果在泵的運行過程中又不對其實際轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，那么在泵的性能特性曲線用于確定其運行工況的三個參數(shù)（流量、揚程和轉(zhuǎn)速）中只知道一個揚程式值，就無法準(zhǔn)確判定和調(diào)控其運行工況。因此，建議采用測量船用泵驅(qū)動電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速和計算來判斷和調(diào)控泵的運行工況。

首先確定泵的需求工況參數(shù)即揚程Hr和轉(zhuǎn)速nr（在產(chǎn)品標(biāo)牌或說明書上都有標(biāo)明），而后測量驅(qū)動電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速np。當(dāng)np值與nf值不同時，可通過調(diào)節(jié)出口管道上的閥門開度，使泵的揚程的實時值（即泵的出口壓力和進(jìn)口壓力之差）Hp達(dá)到下述計算值。

如果閥門調(diào)節(jié)前的Hp值大于計算值，則需調(diào)大閥門使其降低。反之如果Hp值小于計算值則需調(diào)小閥門。當(dāng)然如果在閥門調(diào)節(jié)前的Hp值與計算值比較接近，則無需繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5 從產(chǎn)品樣本上選擇需要的泵

可以認(rèn)為，對于如何從船用泵的產(chǎn)品樣本上能正確地選到所需要的泵，這不僅對于產(chǎn)品的用戶而且對于產(chǎn)品的供應(yīng)方來說都是十分重要的。由于泵產(chǎn)品樣本上的性能參數(shù)值只是表明某臺泵或某些泵在其所處系列參數(shù)中的某個或某些樣本點，因此當(dāng)用戶所需要的泵參數(shù)與樣本上的樣本點參數(shù)（即額定參數(shù)）不相吻合時，往往會根據(jù)自己的個人意愿或經(jīng)驗來選擇參數(shù)相近的泵產(chǎn)品。此時如果因考慮不周而選擇了不當(dāng)?shù)谋茫敲淳陀锌赡茉诋a(chǎn)品交貨或船檢驗收試驗中或者是在實船運行過程中出現(xiàn)問題。

對于每一型船用離心泵產(chǎn)品，都有一個額定性能參數(shù)值，但是該參數(shù)只表示泵在某個轉(zhuǎn)速條件下性能曲線上的一個工況點，而泵是可以在一個允許的范圍內(nèi)運行的。在一般情況下，這個允許范圍是指額定流量的50%～120%，對于特大流量泵，這個范圍是額定流量的50%～110%。

由于每一型泵產(chǎn)品可以在不同的性能參數(shù)工況下運行，使用戶和供應(yīng)商可以在泵的允許工作范圍內(nèi)先取所需要的性能參數(shù)作為選用泵的需用參數(shù)，但也可能產(chǎn)生某種相關(guān)的問題，特別是在泵的超額定流量范圍內(nèi)選擇需用參數(shù)工況時，由于泵的驅(qū)動電機(jī)的配套功率是根據(jù)泵在額定工況時的軸功率值來選取的，在一般情況下只有 10%～20%的余量。如果將泵在超額定流量范圍內(nèi)的某個工況點作為選取工況點，那么此時配套電機(jī)的功率就有可能出現(xiàn)不足或超載的情況，無法保證泵在允許的流量范圍內(nèi)運行的安全性和穩(wěn)定性。建議用戶或供應(yīng)方將選用泵的需用性能參數(shù)值取在樣本產(chǎn)品性能參數(shù)值的80%～100%的范圍，當(dāng)配套電機(jī)的功率大于產(chǎn)品軸功率的 30%～40%時則可以在樣本產(chǎn)品的超額定流量范圍內(nèi)選擇需用工況點。