船用泵若干技術問題研究

吳 仁 榮

（704研究所，上海 200030）

0 引 言

船用泵是一類流體機械，它涉及多方面和多學科的理論和專業知識。根據長期技術工作中的經驗和體會，針對船用離心泵在設計、制造和使用過程中所產生的若干工程技術問題作一探討和建議。

1 確定船用泵的需用技術參數

船用泵的需用技術參數，就是泵的實際使用參數，這些參數將影響到船用泵產品的設計質量和使用質量。

通常泵的需用技術參數指的是泵的流量Q、揚程H汽蝕余量NPSH。

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

為此，建議船用泵用戶或用泵系統的設計者在確定泵的需用參數時，除了應首先對泵的輸入條件和輸出參數進行比較準確的計算外，在向設計或供方提出泵的需要參數時應以此計算值為基礎。如果出于某種考慮或需要而將此計算值適當地增大時，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性能優劣的一個特性參數，對設計和供方來說是一個十分重要的設計計算參數，而且對用戶也是一個十分重要的使用參數。一般認為其數值越小，表示泵的汽蝕性能較好，數值越大則汽蝕性能較差。

2 確定船用泵的設計計算參數

船用泵的供方在收到用戶的船用泵需用性能參數之后確定泵的設計計算參數。由于泵的內部結構以及與其相關要素的需要和影響，在一般情況下，新泵的設計計算參數與用戶所提出的泵的需用參數是會存在某些差異的。

對船用離心泵而言，通常的設計方法是將用戶所提出的泵的需用性能參數直接或略加修改后利用計算機和相關的設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的相似換算法獲取設計泵過流零件的型線；或者根據所擁有的相關資料及自身的工作經驗采用類如速度系數法等方法自行繪制過流零件的型線。當然這些都只是新泵設計計算工作的基礎。在確定泵的輸入計算參數時，應考慮到設計泵的工作狀態、結構特征、工藝需求以及使用條件并借助自己的工作經驗。這樣才能理解用戶對泵的需用參數與泵的設計計算輸入參數之間的差異，才能夠正確地確定泵設計計算參數。

由于對船用泵汽蝕性能參數NPSH的了解不充分，因而在設計計算過程中忽視對氣蝕性能要求，以致出現各種不同的問題，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定為相等，或者是將同一臺泵在轉速不同情況下的汽蝕余量值認為相同等。

船用泵的轉速n值是設計計算中不可缺少的一個基本參數，但在設計計算中經常發生設計泵額定轉速取值不當。如某船用泵系列產品，取同一個額定轉速值 2900r/min或者 2950r/min。由于系列產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。但不同額定功率值的配用電機的額定轉速值并不相同，就使部分系列泵產品的額定轉速值與其驅動電機的額定轉速值不同，從而在實船運行中性能參數出現某種偏差。

如有一船用臥式離心泵系列產品，取額定轉速為2950r/min。配用額定功率為2.2kW的船用交流電機，電機的額定轉速為 2840r/min。此種泵在裝船后的實際運行過程中，由于配用電機的實際轉速低于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速為 2900r/min，配用了額定功率為30kW的船用交流電機，電機的額定轉速為 2955r/min。由于電機的實際轉速高于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 控制泵的設計參數和結構參數

船用泵的可靠性是通過設計、制造和使用等方面來保證的，因此泵的加工、工藝、裝配和檢驗等生產流程是保證泵的性能參數和使用壽命的關鍵。由于對泵的設計參數和結構參數控制不當，常會影響到泵的綜合技術性能。

過流零件關鍵過流尺寸的鑄造誤差是泵生產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和運行質量產生不利的影響。此外，葉輪葉片進口邊的鑄造質量和螺旋形壓水室的鑄造質量都是影響泵的水力性能的一種因素。

機械加工零件的尺寸精度和表面粗糙度是根據泵的結構特點和裝配要求而確定的，但由于檢驗人員的忽視，形位公差超標引起泵的裝配和運行故障時有發生。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械加工尺寸精度進行合格性檢驗之外，還應在泵進行總裝配之前對尺寸精度進行尺寸鏈的計算，必要時可增補調整環零件來調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量也是十分重要的。這些試驗包括葉輪和轉子的靜平衡和動平衡試驗、承壓零部件的水壓強度試驗和整泵的水密性試驗。中間試驗方法和檢驗標準，可見相應的產品標準和說明書。根據多年工作實踐，認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，幾何形狀比較復雜，壁厚值的差異較大，進行水壓強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，對于用汽輪機驅動的高速船用泵，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計參數和結構參數的重要階段。除了在泵的設計圖紙上標注相關的技術參數和要求外，泵的裝配質量還取決于裝配工藝的要求和裝配人員的技術水平。比如軸向間隙值的測量和保證，圓周間隙的測量和調整，滾動軸承的裝配，潤滑脂注入量的控制，軸封的裝配和檢查，泵轉子軸心線水平度的調整以及泵與電機同心度的檢查等。

4 控制和調整泵的正常運行工況

按照說明書上規定的步驟來操控泵的使用狀態，能夠保證船用泵本身和用泵系統工作狀態的穩定性和安全性。然而泵在使用過程中常常會出現某些不規范的操控，即在不關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節泵的運行工況。

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閉狀態時的軸功率值為最小，此時泵的驅動電機的功率值也為最小。當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達到某個量值，泵的驅動電機的功率也會急劇增大到某個量值。由于電機的起動電流是正常工作電流的高倍值，因此會出現過載電流導致電機燒損。

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，在正常運行狀態下，其出口壓力總是要高于進口壓力。如果此時電源突然切斷，泵的葉輪突然減速直至停止轉動，葉輪所產生的壓力逐漸降低。當出口管道中的液體壓力高于葉輪所產生的壓力時，管道中的液體就有可能產生倒流。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生的反轉，但會在出口管路上產生某種程度的水錘現象和壓力脈動，嚴重時可能導致機械損傷并造成用泵系統功能失效或破壞。

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

離心泵的揚程值是其出口壓力和進口壓力的差或出口壓力和進口真空的和。如果只考慮泵的出口壓力，那么泵的揚程值在進口壓力為真空值時就顯得偏低，此時只能通過調小閥門來提升，從而使泵的實際流量減小，如果此時泵的進口壓力為正值時，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速進行測量，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（流量、揚程和轉速）中只知道一個揚程式值，就無法準確判定和調控其運行工況。因此，建議采用測量船用泵驅動電機的實時轉速和計算來判斷和調控泵的運行工況。

首先確定泵的需求工況參數即揚程Hr和轉速nr（在產品標牌或說明書上都有標明），而后測量驅動電機的實時轉速np。當np值與nf值不同時，可通過調節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口壓力之差）Hp達到下述計算值。

如果閥門調節前的Hp值大于計算值，則需調大閥門使其降低。反之如果Hp值小于計算值則需調小閥門。當然如果在閥門調節前的Hp值與計算值比較接近，則無需繼續進行調節。

5 從產品樣本上選擇需要的泵

可以認為，對于如何從船用泵的產品樣本上能正確地選到所需要的泵，這不僅對于產品的用戶而且對于產品的供應方來說都是十分重要的。由于泵產品樣本上的性能參數值只是表明某臺泵或某些泵在其所處系列參數中的某個或某些樣本點，因此當用戶所需要的泵參數與樣本上的樣本點參數（即額定參數）不相吻合時，往往會根據自己的個人意愿或經驗來選擇參數相近的泵產品。此時如果因考慮不周而選擇了不當的泵，那么就有可能在產品交貨或船檢驗收試驗中或者是在實船運行過程中出現問題。

對于每一型船用離心泵產品，都有一個額定性能參數值，但是該參數只表示泵在某個轉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%。

由于每一型泵產品可以在不同的性能參數工況下運行，使用戶和供應商可以在泵的允許工作范圍內先取所需要的性能參數作為選用泵的需用參數，但也可能產生某種相關的問題，特別是在泵的超額定流量范圍內選擇需用參數工況時，由于泵的驅動電機的配套功率是根據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的某個工況點作為選取工況點，那么此時配套電機的功率就有可能出現不足或超載的情況，無法保證泵在允許的流量范圍內運行的安全性和穩定性。建議用戶或供應方將選用泵的需用性能參數值取在樣本產品性能參數值的80%～100%的范圍，當配套電機的功率大于產品軸功率的 30%～40%時則可以在樣本產品的超額定流量范圍內選擇需用工況點。