工程用消防泵水力設計新思路及應用

陸霞杰

摘?要：從現有工程用消防泵存在的問題入手，尋找總體設計思路，提出一種預估工況點的新思路，并給出適用于工程用消防泵的水力設計公式及速度系數。最后通過實例對設計思路、公式、系數進行了驗證，結果表明該設計思路切實可行，為企業開發工程用消防泵提供了參考依據，具有一定的應用價值。

關鍵詞：消防泵;新思路;水力設計

1 緒論

消防泵屬于消防給水和消火栓系統中的核心關鍵設備，其作用是在一定的時間內達到并保持所需的出水流量和出水壓力，以確保能夠迅速將火撲滅，減少火災危害、保護人身和財產安全。我國現行消防規范《GB6245-2005消防泵》[1]中明確規定消防水泵流量揚程性能曲線應無駝峰、無拐點的光滑曲線，零流量時的壓力不應大于設計壓力的140%;當出流量為設計流量的150%時，其出口壓力不應低于設計工作壓力的65%。

近年來，隨著消防安全意識的不斷提升以及消防驗收規范的嚴格要求，消防泵的性能受到廣泛關注，但其技術要求高，設計難度大，傳統水力設計方法無法滿足其開發工作。本文基于傳統速度系數設計法，通過整理消化現有消防泵水力設計參數和試驗數據，初步統計了適用于消防泵的速度系數，同時提出了一種新的思路來滿足消防泵的設計要求。

為便于讀者理解，對下文中出現的參數符號進行說明：

Q—設計流量，單位為m3/h;

Qn—額定流量，單位為m3/h;

Qt—理論流量，單位為m3/h;

H—設計揚程，單位為m;

Hn—額定揚程，單位為m;

ns—比轉速;

k0—葉輪進口速度系數;

ku2—葉輪出口軸面速度系數;

km2—葉輪出口軸面速度系數;

u2—葉輪出口圓周速度，m/s;

vm2—葉輪出口軸面速度，m/s。

2 設計新思路的提出

現階段工程用消防泵存在的主要問題可以歸結為以下幾點：

（1）閥門全開，泵達不到1.5Qn。原因主要有兩點，一是在1.5倍流量工況前，泵已經嚴重汽蝕;二是葉輪尺寸或蝸殼喉部面積設計不得當，導致過流不通暢，開至大流量時，水力損失迅速增加，揚程下降過快。

（2）低比轉速泵（ns=20～50）性能曲線斜率小，軸功率上升快，易導致泵過載，不容易獲得有拐點的軸功率曲線。

（3）高比轉速泵（ns=150～300）特性曲線斜率過大，導致關死點揚程過高以及1.5倍流量時的揚程無法達到0.65Hn。

針對上述第一個問題，可通過加大過流通道尺寸，使泵在大流量時不易產生汽蝕且流道更加通暢等方法來解決。為此，本文提倡在設計前對工況點進行預估，按預估工況點對泵進行設計計算，以有效控制大流量點汽蝕的發生，同時控制高效點的位置，從而避免盲目加大葉輪和喉部面積帶來的不良后果。

另外，常規離心泵性能曲線形狀有著既定的趨勢和規律，其斜率往往隨著比轉速的增大而增大，其主要原因是葉輪和泵體幾何參數的不同導致了泵性能曲線趨勢上的差異，因此針對上文提出的斜率問題，在設計消防泵時加以考慮，以不同比轉速離心泵曲線的趨勢為依據，通過調整幾何參數來控制泵的斜率是一種較為簡便可靠的設計方法。

總結起來，按新思路設計消防泵就是在設計前預估工況點，并在設計時通過調整各個水力部件的幾何參數來控制曲線的斜率。

3 工況點預估方法介紹

工況點預估方法的主要特點是采用了加大設計流量的設計理念，其作用是通過加大設計流量后使得葉輪與泵體喉部比常規泵要更加通暢，從而提高大流量處的汽蝕性能和過流能力。近幾年來，筆者將1.15-1.2倍額定流量工況做為泵的設計工況進行設計計算，獲得了另人滿意的效果。在實際應用中，應對不同比轉速加以區分，低比轉速泵取1.15Qn，高比轉速泵取1.2Qn，中等比轉速泵取中間值。

根據離心泵設計理論，除恒壓泵外，同一臺泵不同流量工況所對應的揚程與額定工況揚程必然不同，但泵尚未設計出來，所以需要預估一個揚程為設計計算時所用。筆者根據消防規范對性能曲線的要求，結合大量消防泵試驗數據，給出了消防泵曲線趨勢（見圖1），設計時根據此圖趨勢先行采用CAD制圖軟件繪出曲線圖，再根據圖中方法確定出計算工況點。以低比轉速泵為例，選取1.15Qn作為泵的設計流量，在橫坐標上找出其對應坐標，并往上作垂線與Q-H曲線相交，再從交點處作水平線與縱坐標相交，得到揚程H，點A（1.15Qn，H）即為所求設計工況點。

4 葉輪水力設計

根據上文中所述預估工況點對葉輪水力參數進行設計計算。

4.1 葉輪進口當量直徑D0

對于一般水泵葉輪來講，按如下公式計算時，經驗系數k0的選取范圍通常為3.5-5.5，而對于消防泵葉輪來講，考慮到進口面積對過流能力的影響，推薦取k0=4.2-5.0，流量大、轉速高的泵取大值。

D0=k0（Q/n）1/3

4.2 葉輪出口直徑D2

根據速度系數公式求葉輪外徑D2時可按如下公式：

u2=ku2（2gH）1/2

其中ku2從圖2根據比轉速選取，算得葉輪出口圓周速度后可根據下式計算葉輪出口直徑。

D2=60u2/πn

4.3 葉片數Z

國內離心泵葉片數大多為5至6片，能夠滿足一般離心泵的性能。但為了滿足消防泵的性能，葉片數的選取不能局限于此，稍多的葉片數有利于提高泵效率，減少葉輪出口液體的滑移，從而容易獲得較為平坦的曲線，故對于高比轉速消防泵，取稍多的葉片數更加合理。對于低比轉速泵，取較少的葉片數，更有利于獲得陡降的流量-揚程曲線。消防泵的葉片數可按下表選取。

4.4 葉片包角ψ

為了較好地控制擴散，減少損失，需要選取相應的包角來與葉片數匹配。對于低比轉速泵，由于選取的葉片數相對較少，應選取較大的包角?？紤]到低比轉速泵采用大包角時，不利于葉輪流道表面質量，一般包角不大于180°。對于高比轉速泵，在保證良好的擴散條件下，可選取較小的包角。具體設計時可參考圖3選取。

4.5 出口安放角β2

根據離心泵設計理論，性能曲線的斜率隨著β2增大而增大，故從上文提出的消防泵設計思路出發，希望低比轉速泵的β2取小些，高比轉速泵的β2取大些。在設計葉輪時，應遵循葉片方格網繪型的規律，在選取安放角與包角時使兩者產生一個最佳匹配，力求獲得光滑順暢的葉輪型線，減小葉片間的水力損失。消防泵的β2推薦按圖4統計曲線選取。

4.6 葉輪出口寬度b2

葉輪出口寬度b2對消防泵性能有重要影響，就低比轉速消防泵而言，其設計思路是通過減小b2來增加曲線斜率，從而減小大流量處的軸功率，但葉輪出口過窄，清砂困難，葉輪流道鑄件質量難以保證，降低了泵效率，軸功率反而增大，因此在設計低比轉速泵時，需要根據具體情況酌情選取，比如葉輪流量很小時，為確保鑄件質量，可將葉輪出口寬度適當加大。對于高比轉速泵，適當加大出口寬度b2，性能曲線更加平坦，有利于保證1.5倍額定流量工況的性能。

文獻[2]中給出了速度系數法計算b2的公式：

b2=Qt/πD2ψ2vm2

ψ2-葉輪出口排擠系數，可將上述確定的參數代入下述公式進行計算：

ψ2=1-zS2/πD2sinβ2

vm2-葉輪出口軸面速度，按如下公式計算：

vm2=km2（2gH）1/2

作者基于速度系數法，反算出了適用于消防泵的葉輪出口軸面速度系數km2，繪制于圖5，推薦按圖中系數計算葉輪出口寬度。

5 泵體水力設計

壓出室喉部面積F。據有關資料表明，喉部面積越大，關死點揚程越低，而額定揚程越高，揚程-流量曲線趨于平坦，因此取稍大的喉部面積對高比轉速泵而言是有利的。然而，低比轉速泵取稍小的喉部面積更容易獲得平坦的軸功率曲線。故在計算壓出室喉部面積時應根據比轉速加以區分，一般情況下低比轉速泵按常規速度系數取值即可。

6 實例驗證

為了驗證上述設計思路的可行性，對XBD6.5/15-W型單級消防泵進行了重新設計，參數為：Q=15L/s，H=66.3m，n=2950r/min，P=22kW，ns=56.9。

基于新思路，應用上述公式及速度系數確定了泵的水力設計參數為，D0=76mm，D2=247，Z=5，ψ=170，β2=19°，b2=7mm，F=962。

根據GB/T3216-2016在上海連成測試臺上對該消防泵在吸深1m時的性能進行了測試，測試結果如圖6所示：

分析上述測試結果可知，該泵在設計點以及1.5Qn工況時的性能均能滿足消防要求，且在Q=87.7m3/h處軸功率出現了拐點。說明本文設計思路應用于工程用消防泵的設計較為切實可行。

7 結語

總的來說，采用新思路并結合速度系數法來設計消防是一種比較簡單可靠的方法，只要遵循消防泵設計新思路，在傳統設計理念的基礎上不斷總結消防泵的設計規律并把握住幾個要點，就能設計出性能優良的消防泵。本文所統計數據僅限于部分型號，往后對于消防泵的設計還應在此基礎上不斷完善。

參考文獻：

[1]中華人民共和國公安部.GB6245-2006消防泵[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2]沈陽水泵研究所.葉片泵設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1983.