船舶消防疏水一體化泵組設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

付本國(guó)，張穎軍

（海軍潛艇學(xué)院防險(xiǎn)救生系，山東青島 266199）

0 引言

隨著造船科技的不斷發(fā)展，海上船舶趨于規(guī)模大型化、構(gòu)造復(fù)雜化、航行快速化，使得火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)一直居高不下，而艦船如果發(fā)生著火事故，勢(shì)必會(huì)造成財(cái)產(chǎn)、人員等重大損傷，以及對(duì)環(huán)境的重大危害。文獻(xiàn)[1-3]中提出英國(guó)某保險(xiǎn)公司的文件數(shù)據(jù)顯示，每年的艦船火災(zāi)為海洋災(zāi)難的26%，該數(shù)據(jù)表明火災(zāi)已經(jīng)成為艦船人員財(cái)產(chǎn)傷亡的主要因素。

隨著海軍艦艇兵力深遠(yuǎn)?；顒?dòng)逐漸常態(tài)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(jīng)?？梢詫?duì)外提供救助的重要方面之一，更需得到加強(qiáng)。

目前，船舶消防泵廣泛采用的是單級(jí)或多級(jí)離心泵。該種泵存在單級(jí)揚(yáng)程低、多級(jí)效率低、流量調(diào)節(jié)范圍小、振動(dòng)噪聲大、空蝕性能差等缺點(diǎn)，迫切需要研發(fā)一款新型高揚(yáng)程、流量調(diào)節(jié)范圍大、振動(dòng)噪聲低、效率高、空蝕性能好的船舶消防泵。

本文通過(guò)對(duì)船舶消防疏水一體化泵組技術(shù)的研究，提出了采用雙螺旋流恒壓泵串、并聯(lián)方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)消防泵功能，2臺(tái)螺旋流恒壓泵分別獨(dú)立且串聯(lián)射流泵實(shí)現(xiàn)應(yīng)急排水泵功能的工作方案，研制了螺旋流恒壓泵組樣機(jī)，并通過(guò)性能試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。

1 技術(shù)方案

1.1 技術(shù)指標(biāo)

消防用疏水泵平穩(wěn)性要求其揚(yáng)程曲線是平坦曲線，并且在較小的流量區(qū)域范圍內(nèi)，其揚(yáng)程不能太大；而在大的流量區(qū)域內(nèi)，揚(yáng)程又不能降低太快[4-5]。國(guó)標(biāo)《GB6245-2006 的消防泵》和美國(guó)規(guī)范NFPA20，使得消防疏水泵能夠在額定流量的150%的條件下平穩(wěn)工作，并且揚(yáng)程不低于額定揚(yáng)程的65%，疏水泵關(guān)死點(diǎn)的揚(yáng)程也不能高于額定揚(yáng)程的140%[6-7]。

船舶消防泵主要用于為船舶消防系統(tǒng)的消防栓和消防水炮提供高壓水，消滅本船火災(zāi)或者他船火災(zāi)。海上船舶火災(zāi)發(fā)展迅速、規(guī)模差異大、難于控制，對(duì)消防泵提出了非?？量痰募夹g(shù)要求，具體如下。

（1）揚(yáng)程高。只有揚(yáng)程高，才能遠(yuǎn)距離噴射，解決高溫、高海況等惡劣環(huán)境條件下無(wú)法靠近火災(zāi)點(diǎn)的問(wèn)題?，F(xiàn)有船舶消防泵的揚(yáng)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(shí)際需求。通過(guò)歸納、分析國(guó)內(nèi)外大型船舶火災(zāi)處置方案和海上救援實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，消防泵揚(yáng)程宜劃分為4 個(gè)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(shù)船舶所需；高端檔次160 m，滿足專業(yè)救助船舶所需；超高檔次300 m以上，滿足大型船舶、大型火災(zāi)、危險(xiǎn)核化等所需。本文所研究的消防泵，為滿足絕大多數(shù)船舶自救、互救消防所需，揚(yáng)程定為80 m和160 m。

（2）流量可調(diào)范圍大，流量變動(dòng)時(shí)揚(yáng)程穩(wěn)定。火災(zāi)規(guī)模難以預(yù)料，消防泵流量指標(biāo)可調(diào)范圍大。消防疏水泵在額定流量的150%的狀態(tài)下平穩(wěn)工作，并且其揚(yáng)程也不能低于額定揚(yáng)程的90%，疏水泵關(guān)死點(diǎn)的揚(yáng)程不能高于額定揚(yáng)程的110%，應(yīng)顯著高于美國(guó)消防泵規(guī)范NFPA20 要求。本文所研究的消防泵的額定流量為180 m3/h（揚(yáng)程為80 m）和90 m3/h（揚(yáng)程為160 m）。

（3）可以兼作應(yīng)急疏水泵，其揚(yáng)程小、流量大、效率高。依據(jù)船舶通用規(guī)范GJB4000-2000 要求，船舶破損堵漏后，排干其最大艙室浸水時(shí)間不大于1.5 h，參考現(xiàn)有船舶應(yīng)急排水泵流量，本文所要研究的一組消防泵兼作應(yīng)急疏水泵時(shí)，額定流量為360 m3/h（揚(yáng)程為6 m）和270 m3/h（揚(yáng)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(shè)有2套可獨(dú)立并聯(lián)運(yùn)行的設(shè)備組合：2臺(tái)同型號(hào)的旋流恒壓泵式消防泵（水泵1和水泵2）、2座同型號(hào)水炮（水炮1和水炮2）以及手動(dòng)控制閥組。當(dāng)閥1 和閥2 工作在左位，閥3 工作在右位時(shí)，水泵1和水泵2可串聯(lián)使用，在保持流量不變情況下?lián)P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(shù)參數(shù)：額定揚(yáng)程為80 m、額定流量為90 m3/h；兩泵獨(dú)立并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，額定揚(yáng)程為80 m、額定流量為180 m3/h；兩泵串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，額定揚(yáng)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(tài)下平穩(wěn)工作，并且其揚(yáng)程也不可以低于額定揚(yáng)程的90%，疏水泵關(guān)死點(diǎn)的揚(yáng)程是不能高于額定揚(yáng)程的110%；作為應(yīng)急疏水泵使用時(shí)，額定流量為360 m3/h（揚(yáng)程為6 m）和270 m3/h（揚(yáng)程為10 m）。

1.3 螺旋流恒壓泵式消防泵技術(shù)方案

圖2 螺旋流恒壓泵揚(yáng)程-流量關(guān)系曲線

依據(jù)技術(shù)要求，通過(guò)查閱文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)研，對(duì)比在用的離心泵、切線泵、旋流泵，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李世煌指導(dǎo)下，提出螺旋流恒壓泵技術(shù)方案[8-10]。螺旋流恒壓泵的揚(yáng)程-流量關(guān)系曲線如圖2 所示，揚(yáng)程隨著流量的增加保持不變；在150%額定流量時(shí)揚(yáng)程仍然保持恒定；在突然關(guān)閉負(fù)載時(shí)，揚(yáng)程保持不變或略有下降（揚(yáng)程變化幅度在5%以內(nèi)，傳統(tǒng)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(yīng)急疏水泵技術(shù)方案

螺旋流恒壓泵直接當(dāng)作應(yīng)急疏水泵用時(shí)，由于輸出始終保持恒壓，最大流量受功率限制也不會(huì)很大，故用作消防泵時(shí)的優(yōu)點(diǎn)此時(shí)卻成為缺點(diǎn)，疏水效率低、能耗大。

為充分發(fā)揮消防泵的疏水作用，可通過(guò)在消防泵輸出管路串接旋流式射流泵實(shí)現(xiàn)，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(jìn)一步抽吸水，增加疏水流量。噴嘴的內(nèi)部流體會(huì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，因此會(huì)減輕堵塞的發(fā)生，并且也可減少能量的損耗，泵的疏水吸流作用優(yōu)于沒(méi)有旋射的流體泵[11]，文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 疏水泵的示意圖

由此可知，本文所設(shè)計(jì)的消防泵的揚(yáng)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(shí)，由于噴射揚(yáng)程顯著提高（由46.9 m 提高到80 m），應(yīng)急排水揚(yáng)程應(yīng)顯著高于6.4 m，流量應(yīng)明顯高于378 m3/h；喉管截面積與噴嘴截面積之比為3.13 時(shí)，應(yīng)急排水揚(yáng)程應(yīng)顯著高于10.7 m，流量應(yīng)明顯高于270 m3/h。因此滿足技術(shù)要求。

2 消防泵樣機(jī)研制

2.1 參數(shù)選定

消防泵的額定揚(yáng)程和額定流量已定，后續(xù)設(shè)計(jì)首要考慮提高效率和降低振動(dòng)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(zhuǎn)速。由統(tǒng)計(jì)得出的葉片泵效率圖可知[12]，最佳比轉(zhuǎn)速大約為150，推薦比轉(zhuǎn)速選取范圍為30～200。比轉(zhuǎn)速ns計(jì)算公式如下。

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min；Q為流量，m3/s；H為揚(yáng)程，m。

由式（1）可知，在確定額定揚(yáng)程和額定流量后，可通過(guò)增大轉(zhuǎn)速來(lái)提高比轉(zhuǎn)速和效率；但增加轉(zhuǎn)速后，泵的空蝕性能下降，并可能需要定制專用高速電機(jī)，成本顯著增加。綜合考慮，暫時(shí)選用市面比較成熟的普通2極三相交流電機(jī)作為動(dòng)力源，轉(zhuǎn)速為2 980 r/min，比轉(zhuǎn)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(shù)：電機(jī)功率為55 kW，進(jìn)水管內(nèi)徑為125 mm，出水管內(nèi)徑為80 mm。

2.2 葉輪改進(jìn)設(shè)計(jì)

螺旋流恒壓泵的核心工作部件是葉輪。在最初采用文獻(xiàn)[9]中類似結(jié)構(gòu)的葉輪時(shí)，原理樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明：由于比轉(zhuǎn)速較低，導(dǎo)致效率低、噪聲大。故對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)的葉輪如圖4所示，在其圓盤(pán)支架上正反兩面周向均勻交替分布共7個(gè)長(zhǎng)葉片和7個(gè)短葉片，葉片斷面投影近似拉平的L型。

圖4 葉輪正面結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)泵工作時(shí)，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(chǎn)生徑向的旋轉(zhuǎn)放射流動(dòng)，因此疏水時(shí)就可獲得恒壓的高揚(yáng)程疏水泵特性。通過(guò)設(shè)計(jì)長(zhǎng)葉片與短葉片的交替布置可以更好地導(dǎo)引螺旋流，在局部?jī)?nèi)形成二次加壓，效率更高。與現(xiàn)有的旋流恒壓泵相比，泵出口壓力更高、更穩(wěn)定。由于葉輪正反兩面均有葉片，力量平衡、軸向力小、振動(dòng)小、噪聲低。

2.3 樣機(jī)設(shè)計(jì)及試制

新設(shè)計(jì)的螺旋流恒壓水泵葉輪正反兩面均有葉片，傳統(tǒng)的臥式安裝、端面進(jìn)水、周向出水的型式已經(jīng)不適用。所以，新型泵選擇立式安裝，電機(jī)在上、泵體在下，通過(guò)L 型支架固定連接基座及側(cè)壁。泵體選擇左側(cè)周向進(jìn)水和右側(cè)周向出水。為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，試制了等比樣機(jī)，如圖5所示。

圖5 消防泵等比樣機(jī)

3 消防泵樣機(jī)性能試驗(yàn)

依據(jù)試制的等比樣機(jī)，在某水泵標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了性能試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為常溫、清水介質(zhì)。試驗(yàn)原理如圖6所示。水泵底部固定，左邊輸入端通過(guò)管路連接敞開(kāi)式水箱1，中間安裝壓力表1，用于測(cè)量進(jìn)口壓力。水泵拖動(dòng)電機(jī)電纜上安裝電流表，通過(guò)測(cè)定電流得到軸功率。水泵右邊輸出端通過(guò)管路連接敞開(kāi)式水箱2，中間安裝有壓力表2、流量調(diào)節(jié)閥和水表。壓力表2用于測(cè)量出口壓力。流量調(diào)節(jié)閥用于控制水泵輸出流量，調(diào)節(jié)范圍為0～120 m3/h。流量計(jì)用于實(shí)時(shí)測(cè)量水泵輸出流量。水箱1和水箱2的底部由粗水管聯(lián)通，保證兩水箱的水線始終保持基本一致。

試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖7所示。由于電機(jī)功率限制，更高流量沒(méi)有測(cè)定。

圖6 消防泵試驗(yàn)原理

由圖7 可知，該泵在轉(zhuǎn)速一定情況下，隨著輸出流量增加，功率增加，揚(yáng)程初始階段增加明顯，后續(xù)緩慢增加，然后緩慢下降，大致保持恒定，較好地反映了設(shè)計(jì)方案要求，可達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，初步驗(yàn)證了方案可行性。

隨著流量增加，進(jìn)口負(fù)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(zhuǎn)速選取過(guò)低的問(wèn)題。但同等比轉(zhuǎn)速條件下，葉輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，效率提高10%以上，較好地解決了比轉(zhuǎn)速低時(shí)效率過(guò)低問(wèn)題，也表明高揚(yáng)程、小流量液體泵的改進(jìn)思路及設(shè)計(jì)方法是可行的。

現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)和測(cè)定安裝機(jī)腳振動(dòng)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(jìn)出口型式，可明顯降低振動(dòng)噪聲。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展船舶消防疏水一體化泵組設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，可得到如下結(jié)論。

（1）螺旋流恒壓泵式消防泵組技術(shù)方案可行，效果優(yōu)良，具有揚(yáng)程高、流量調(diào)節(jié)范圍大、效率高、空蝕性能好、振動(dòng)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

（2）低比轉(zhuǎn)速、高揚(yáng)程、小流量的螺旋流恒壓泵原理可行，代表著一種發(fā)展方向。通過(guò)選用高速動(dòng)力源，優(yōu)化葉輪和泵體的結(jié)構(gòu)，可以較好地解決效率低的問(wèn)題。

（3）螺旋流恒壓泵式消防泵串聯(lián)射流泵后可兼作應(yīng)急疏水泵，流量大、轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。當(dāng)然，方案可行性還需要進(jìn)一步等比樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。

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