船舶消防疏水一體化泵組設計及試驗研究

付本國，張穎軍

（海軍潛艇學院防險救生系，山東青島 266199）

0 引言

隨著造船科技的不斷發展，海上船舶趨于規模大型化、構造復雜化、航行快速化，使得火災風險一直居高不下，而艦船如果發生著火事故，勢必會造成財產、人員等重大損傷，以及對環境的重大危害。文獻[1-3]中提出英國某保險公司的文件數據顯示，每年的艦船火災為海洋災難的26%，該數據表明火災已經成為艦船人員財產傷亡的主要因素。

隨著海軍艦艇兵力深遠?；顒又饾u常態化，艦艇自救、互救能力日益得到重視。其中，消防能力是艦船海上安全的基本要求，也是經?？梢詫ν馓峁┚戎闹匾矫嬷?，更需得到加強。

目前，船舶消防泵廣泛采用的是單級或多級離心泵。該種泵存在單級揚程低、多級效率低、流量調節范圍小、振動噪聲大、空蝕性能差等缺點，迫切需要研發一款新型高揚程、流量調節范圍大、振動噪聲低、效率高、空蝕性能好的船舶消防泵。

本文通過對船舶消防疏水一體化泵組技術的研究，提出了采用雙螺旋流恒壓泵串、并聯方法，來實現消防泵功能，2臺螺旋流恒壓泵分別獨立且串聯射流泵實現應急排水泵功能的工作方案，研制了螺旋流恒壓泵組樣機，并通過性能試驗驗證該方案的可行性。

1 技術方案

1.1 技術指標

消防用疏水泵平穩性要求其揚程曲線是平坦曲線，并且在較小的流量區域范圍內，其揚程不能太大；而在大的流量區域內，揚程又不能降低太快[4-5]。國標《GB6245-2006 的消防泵》和美國規范NFPA20，使得消防疏水泵能夠在額定流量的150%的條件下平穩工作，并且揚程不低于額定揚程的65%，疏水泵關死點的揚程也不能高于額定揚程的140%[6-7]。

船舶消防泵主要用于為船舶消防系統的消防栓和消防水炮提供高壓水，消滅本船火災或者他船火災。海上船舶火災發展迅速、規模差異大、難于控制，對消防泵提出了非?？量痰募夹g要求，具體如下。

（1）揚程高。只有揚程高，才能遠距離噴射，解決高溫、高海況等惡劣環境條件下無法靠近火災點的問題?，F有船舶消防泵的揚程通常為35～90 m，水平噴射跨度為15～40 m，還不能很好地滿足實際需求。通過歸納、分析國內外大型船舶火災處置方案和海上救援實際經驗，消防泵揚程宜劃分為4 個檔次：基本檔次50 m，滿足小型船舶所需；通用檔次80 m，滿足大多數船舶所需；高端檔次160 m，滿足專業救助船舶所需；超高檔次300 m以上，滿足大型船舶、大型火災、危險核化等所需。本文所研究的消防泵，為滿足絕大多數船舶自救、互救消防所需，揚程定為80 m和160 m。

（2）流量可調范圍大，流量變動時揚程穩定。火災規模難以預料，消防泵流量指標可調范圍大。消防疏水泵在額定流量的150%的狀態下平穩工作，并且其揚程也不能低于額定揚程的90%，疏水泵關死點的揚程不能高于額定揚程的110%，應顯著高于美國消防泵規范NFPA20 要求。本文所研究的消防泵的額定流量為180 m3/h（揚程為80 m）和90 m3/h（揚程為160 m）。

（3）可以兼作應急疏水泵，其揚程小、流量大、效率高。依據船舶通用規范GJB4000-2000 要求，船舶破損堵漏后，排干其最大艙室浸水時間不大于1.5 h，參考現有船舶應急排水泵流量，本文所要研究的一組消防泵兼作應急疏水泵時，額定流量為360 m3/h（揚程為6 m）和270 m3/h（揚程為10 m）。

1.2 泵組工作原理

本文所提出的船舶消防泵組原理如圖1所示。設有2套可獨立并聯運行的設備組合：2臺同型號的旋流恒壓泵式消防泵（水泵1和水泵2）、2座同型號水炮（水炮1和水炮2）以及手動控制閥組。當閥1 和閥2 工作在左位，閥3 工作在右位時，水泵1和水泵2可串聯使用，在保持流量不變情況下揚程升高1倍。

圖1 消防疏水一體化泵組工作原理

水泵1和水泵2的技術參數：額定揚程為80 m、額定流量為90 m3/h；兩泵獨立并聯運行時，額定揚程為80 m、額定流量為180 m3/h；兩泵串聯運行時，額定揚程為160 m、額定流量為90 m3/h；消防疏水泵在額定流量為150%的狀態下平穩工作，并且其揚程也不可以低于額定揚程的90%，疏水泵關死點的揚程是不能高于額定揚程的110%；作為應急疏水泵使用時，額定流量為360 m3/h（揚程為6 m）和270 m3/h（揚程為10 m）。

1.3 螺旋流恒壓泵式消防泵技術方案

圖2 螺旋流恒壓泵揚程-流量關系曲線

依據技術要求，通過查閱文獻和實地調研，對比在用的離心泵、切線泵、旋流泵，在中國農業大學李世煌指導下，提出螺旋流恒壓泵技術方案[8-10]。螺旋流恒壓泵的揚程-流量關系曲線如圖2 所示，揚程隨著流量的增加保持不變；在150%額定流量時揚程仍然保持恒定；在突然關閉負載時，揚程保持不變或略有下降（揚程變化幅度在5%以內，傳統離心泵的壓力變化范圍在30%以上）。螺旋流恒壓泵的性能非常適合消防泵要求。

1.4 消防泵兼作應急疏水泵技術方案

螺旋流恒壓泵直接當作應急疏水泵用時，由于輸出始終保持恒壓，最大流量受功率限制也不會很大，故用作消防泵時的優點此時卻成為缺點，疏水效率低、能耗大。

為充分發揮消防泵的疏水作用，可通過在消防泵輸出管路串接旋流式射流泵實現，消防泵提供噴射流量，原理如圖3所示。旋流式射流泵可高效地借助高壓水進一步抽吸水，增加疏水流量。噴嘴的內部流體會旋轉流動，因此會減輕堵塞的發生，并且也可減少能量的損耗，泵的疏水吸流作用優于沒有旋射的流體泵[11]，文獻試驗數據[11]如表1所示。

表1 試驗數據

圖3 疏水泵的示意圖

由此可知，本文所設計的消防泵的揚程恒定為80 m、額定流量為180 m3/h。同比放大條件下，理論上喉管截面積與噴嘴截面積之比為4.37 時，由于噴射揚程顯著提高（由46.9 m 提高到80 m），應急排水揚程應顯著高于6.4 m，流量應明顯高于378 m3/h；喉管截面積與噴嘴截面積之比為3.13 時，應急排水揚程應顯著高于10.7 m，流量應明顯高于270 m3/h。因此滿足技術要求。

2 消防泵樣機研制

2.1 參數選定

消防泵的額定揚程和額定流量已定，后續設計首要考慮提高效率和降低振動噪聲。離心泵、切線泵、旋流泵等同屬于葉片泵，其效率大小主要取決于比轉速。由統計得出的葉片泵效率圖可知[12]，最佳比轉速大約為150，推薦比轉速選取范圍為30～200。比轉速ns計算公式如下。

式中：n為轉速，r/min；Q為流量，m3/s；H為揚程，m。

由式（1）可知，在確定額定揚程和額定流量后，可通過增大轉速來提高比轉速和效率；但增加轉速后，泵的空蝕性能下降，并可能需要定制專用高速電機，成本顯著增加。綜合考慮，暫時選用市面比較成熟的普通2極三相交流電機作為動力源，轉速為2 980 r/min，比轉速為64.29，較好地滿足效率要求。

此外，消防泵的其他主要性能參數：電機功率為55 kW，進水管內徑為125 mm，出水管內徑為80 mm。

2.2 葉輪改進設計

螺旋流恒壓泵的核心工作部件是葉輪。在最初采用文獻[9]中類似結構的葉輪時，原理樣機測試結果表明：由于比轉速較低，導致效率低、噪聲大。故對葉輪結構進行了改進設計，新設計的葉輪如圖4所示，在其圓盤支架上正反兩面周向均勻交替分布共7個長葉片和7個短葉片，葉片斷面投影近似拉平的L型。

圖4 葉輪正面結構圖

當泵工作時，靠近葉輪的中心部位的彎折傾斜葉片的后端離心力大于其前端離心力，使得后端液流的壓力比前端液流的壓力大，葉片間便產生徑向的旋轉放射流動，因此疏水時就可獲得恒壓的高揚程疏水泵特性。通過設計長葉片與短葉片的交替布置可以更好地導引螺旋流，在局部內形成二次加壓，效率更高。與現有的旋流恒壓泵相比，泵出口壓力更高、更穩定。由于葉輪正反兩面均有葉片，力量平衡、軸向力小、振動小、噪聲低。

2.3 樣機設計及試制

新設計的螺旋流恒壓水泵葉輪正反兩面均有葉片，傳統的臥式安裝、端面進水、周向出水的型式已經不適用。所以，新型泵選擇立式安裝，電機在上、泵體在下，通過L 型支架固定連接基座及側壁。泵體選擇左側周向進水和右側周向出水。為檢驗設計方案，試制了等比樣機，如圖5所示。

圖5 消防泵等比樣機

3 消防泵樣機性能試驗

依據試制的等比樣機，在某水泵標準測試平臺進行了性能試驗。試驗條件為常溫、清水介質。試驗原理如圖6所示。水泵底部固定，左邊輸入端通過管路連接敞開式水箱1，中間安裝壓力表1，用于測量進口壓力。水泵拖動電機電纜上安裝電流表，通過測定電流得到軸功率。水泵右邊輸出端通過管路連接敞開式水箱2，中間安裝有壓力表2、流量調節閥和水表。壓力表2用于測量出口壓力。流量調節閥用于控制水泵輸出流量，調節范圍為0～120 m3/h。流量計用于實時測量水泵輸出流量。水箱1和水箱2的底部由粗水管聯通，保證兩水箱的水線始終保持基本一致。

試驗結果如表2和圖7所示。由于電機功率限制，更高流量沒有測定。

圖6 消防泵試驗原理

由圖7 可知，該泵在轉速一定情況下，隨著輸出流量增加，功率增加，揚程初始階段增加明顯，后續緩慢增加，然后緩慢下降，大致保持恒定，較好地反映了設計方案要求，可達到設計指標，初步驗證了方案可行性。

隨著流量增加，進口負壓增加明顯，反映出泵體空蝕性能好。泵效率有正常的拋物線特征，但最大效率僅為47.26%，明顯偏低，也印證了比轉速選取過低的問題。但同等比轉速條件下，葉輪結構改進后，效率提高10%以上，較好地解決了比轉速低時效率過低問題，也表明高揚程、小流量液體泵的改進思路及設計方法是可行的。

現場體驗和測定安裝機腳振動烈度小于1.5 mm，表明使用新型正反兩面布置葉片方式的葉輪，采用180°周向布置進出口型式，可明顯降低振動噪聲。

4 結束語

通過開展船舶消防疏水一體化泵組設計及試驗研究，可得到如下結論。

（1）螺旋流恒壓泵式消防泵組技術方案可行，效果優良，具有揚程高、流量調節范圍大、效率高、空蝕性能好、振動噪聲低等優點，具有廣泛的推廣應用價值。

（2）低比轉速、高揚程、小流量的螺旋流恒壓泵原理可行，代表著一種發展方向。通過選用高速動力源，優化葉輪和泵體的結構，可以較好地解決效率低的問題。

（3）螺旋流恒壓泵式消防泵串聯射流泵后可兼作應急疏水泵，流量大、轉化結構簡單、使用方便。當然，方案可行性還需要進一步等比樣機試驗驗證。

（4）船舶消防疏水一體化泵組方案可行，其可靠性高、揚程更高、流量更大、功能更全面、使用更方便?？梢酝瑫r滿足消防和應急排水所需，適應用戶群更廣泛。