一種消防恒壓給水設備用泵設計方法的研究

盧國軍 ,趙偉國

(1.上海凱泉泵業(集團)有限公司技術中心,上海 201804;2.甘肅省流體機械及系統重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

1 概述

為了響應本公司消防自動恒壓給水設備項目成功投產，滿足公司市場需要，針對GB27898.2-2011 固定消防給水設備用泵的特殊性，通過對標準的研究閱讀，從中歸納、摘錄出穩壓泵組的幾點設計要點：

（1）穩壓泵組的材料應符合GB6245；（2）穩壓泵組達到125%標稱流量，泵組出水口壓力不應大于泵組標稱壓力的65%；（3）穩壓泵組達到125%標稱流量,泵組功率要不大于電機配套功率。

常規的離心泵特性曲線無法滿足固定消防給水設備的要求，因此需要突破常規進行水泵葉輪的設計，由于目前還沒有發現成熟的針對固定消防給水設備用泵的設計理念及設計標準，故設計工作量大，難度高，試制成本高，由于項目設計周期短，本次設計是結合現有產品技術數據的基礎上，對現有產品進行設計改造，從而達到本項目設計要求。

2 設計思路

主要參數：

Q—設計流量，單位為m3/h；

H—設計揚程，單位為m；

n—設計轉速，單位為r/min；

ns—比轉速，ns=3.65nQ0.5/H0.75；

D1—葉輪入口直徑，單位為mm；

D2—葉輪外徑，單位為mm；

b2—葉輪出口寬度，單位為mm；

g—重量加速度，一般取9.81m/s2；

b3—導葉進口寬度，單位為mm。

設計應滿足的性能曲線如圖1 所示。

圖1 消防恒壓離心泵的性能曲線

本次設計主要設計思路是速度系數法設計，通過圖1 性能曲線分析，為了滿足多工況性能要求及過流部件幾何參數對泵特性曲線的影響，初步確定用沖壓焊接離心泵改型，圍繞目前沖壓泵設計、制造等特殊性，在常規水泵設計方法基礎上，調整水泵設計參數，結合大量設計實例，通過對新設計的沖壓泵性能試驗，大膽嘗試，尋找新的可靠設計，筆者經過設計規律并鋪以計算公式，圖表，逐步歸納出消防自動恒壓給水設備用穩壓泵的設計經驗。

2.1 葉輪型線設計宜采用的方法

（1）口徑≤25,比轉速≤50，宜采用單圓弧法繪制，有利于制造，尺寸容易保證，降低成本。如圖2 所示。

圖2 口徑≤25,比轉速≤50 的葉輪型線設計

（2）口徑≤40,比轉速≤90，宜采用單圓弧法繪制，有利于制造，尺寸容易保證，降低成本。如圖3 所示。

圖3 口徑≤40,比轉速≤90 的葉輪型線設計

（3）口徑≥50,比轉速〉90,如圖4 所示。

圖4 口徑≥50,比轉速〉90 的葉輪型線設計

2.2 設計工況點的確定

從圖1 數據分析，為了滿足1.25Qn 性能要求，需要對設計點進行前移，筆者建議0.7Qn 數據為設計工況點；關死點揚程建議取1.4～1.5m。

（1）葉輪外徑D2。根據文獻中速度系數法設計，可知。

式中ku2為經驗系數，有斯捷潘洛夫速度系數和國產統計速度系數圖[2]。

鑒于沖壓泵制造等內部水力泄漏較大，結合筆者近幾年的沖壓泵設計經驗，在對葉輪外徑計算取值上，可取ku2=1.01～1.15，比轉速越大取值越大。

（2）葉輪入口直徑。葉輪入口直徑宜采用公式D1=kD1*D2,式中kD1為經驗系數，值為0.41～0.55,比轉速越大取值越大。

（3）葉輪出口寬度b2。根據文獻中速度系數法設計，可知。

式中km2為經驗系數，鑒于沖壓泵葉片表面光滑，結合筆者近幾年的沖壓泵設計經驗，在對葉輪外徑計算取值上，可取km2=0.06～0.15，比轉速越大取值越大.也宜可參考斯捷潘洛夫速度系數和國產統計速度系數圖表的，但一般建議取小值。

（4）葉輪出口安放角β2。結合制造難度、降成本及筆者近幾年經驗，宜選用28°～35°。

（5）葉片包角選擇。結合制造難度、降成本及筆者近幾年經驗宜選用90°～120°。

3 實例分析

改型設計實例的設計參數：

選擇對DP40-10×9 進行改型設計 (流量：Q=10m3/h;揚程H=70m,轉速n=2930r/min，功率=3kw)。

根據性能測試數據表1 可以看出，1.25 流量點與額定流量點揚程比值為0.85，不符合消防自動恒壓給水設備用穩壓泵標準規范，故對葉輪進行重新設計改造。

表1 DP40-10x9 泵的性能測試數據

以下簡要描述3CF-DP40-8-69 的設計過程及測試結果。

（1）設計工況點的確定，Q=Qn*0.7=5.6，揚程通過圖1 量取，本例單級揚程取10m。

（2）葉輪型線根據比轉速選用如圖3 所示。

（3）葉輪進口直徑D1計 算D1=kD1*D2，kD1取0.45，經計算D1=43.2,取43.1。

（4）葉輪外徑D2計算,ku2取1.04,經計算D2=96,取96。

（5）葉輪出口寬度b2計算,km2取0.099，經計算b2=3.82,取3.8。

（6）葉片出口角β2,在其他參數不變時,葉片出口安放角β2越大,葉輪外徑D2就越小,同時圓盤摩擦損失也越小,可以提高水泵的效率,故本例取32°。

根據計算結果，繪制零件圖，加工，試生產。最終測試結果見表2，參數均在表2 要求的數據范圍內，符合穩壓泵要求。

表2 3CF-DP40-8-69 泵的性能測試數據

泵型號：3CF-DP40-8-69 的主要參數：流量=8(m3/h)；揚程=69m；功率=3kw；轉速=2930r/min。

（7）原型與改進型Q-H 曲線比較。由圖5 可以看出，經過葉輪的改型設計，設計工況點的流量前移，揚程比原型模型變小，1.25 流量點與額定流量點揚程比值為0.58，且測試軸功率為2.41kw,符合穩壓消防泵標準要求的性能曲線。

圖5 原型與改進型Q-H 曲線比較

4 結論

(1) 經過設計改進案例分析,用速度系數法設計消防自動恒壓給水設備用穩壓泵方法是可行的。

(2)本文通過速度系數法改進設計,在同類別消防自動恒壓給水設備用穩壓泵中已經廣泛應用,有很好的借鑒意義。

(3) 沖壓焊接式離心泵作為量大面廣的中小型鑄造離心泵理想換代產品,在我國研制年代較晚,水力設計方法還不是十分成熟,更普遍意義上的研究還需要大家的共同努力。