机械泵入式泡沫比例混合装置的研制与典型应用

刘益民

（上海金盾消防安全设备有限公司，上海，201318）

机械泵入式泡沫比例混合装置的研制与典型应用

刘益民

（上海金盾消防安全设备有限公司，上海，201318）

介绍了消防用泡沫比例混合装置的产品进化史与各代产品的优劣，给出了第五代产品（机械泵入式泡沫比例混合装置）的原理理论分析，参照叶片泵的内部结构和前人的研究，设计了泡沫比例混合装置的核心部件（一种特殊水轮机）。为使水轮机结构最优化，对核心部件的材质进行了合理选择，并使用运动模拟软件分析了水轮机内腔结构，根据分析结果进行了优化设计，设计后试制的泡沫比例混合装置性能完全满足工程需要。最后举例说明了这种泡沫比例混合装置的典型应用。

机械泵入；泡沫比例混合装置；水轮机；叶片泵

0 引言

消防用主流泡沫液有水成膜泡沫、蛋白泡沫、氟蛋白泡沫、抗溶泡沫、高倍泡沫、A类泡沫和合成泡沫等几种［1］。其中只有合成泡沫可以与水预混后储存，在消防系统启动后直接将泡沫混合液喷出灭火。使用其他几种泡沫的消防系统中，泡沫比例混合装置是系统的核心，不管是泡沫喷头、泡沫产生器、泡沫炮还是其他某种泡沫系统，工作时泡沫原液都需要先按一定比例与水混合。目前泡沫比例混合装置主要有以下四代产品。

第一代产品为负压式泡沫比例混合装置，泡沫液储存在常压容器中，消防水通过比例混合器的时候，泡沫液入口产生负压，将泡沫液吸入与消防水混合形成泡沫混合液。这种泡沫比例混合装置的优点是结构简单、泡沫液随时可以添加，缺点是泡沫混合比无法稳定控制。

第二代产品为压力式泡沫比例混合装置，泡沫液储存在耐压容器（泡沫液罐）中的胶囊内，一部分消防水进入泡沫液罐，将胶囊中的泡沫液挤出，而另一部分消防水通过比例混合器的时候产生负压，将从胶囊中挤出的泡沫液吸入消防水与之混合形成泡沫混合液［2－5］。这种泡沫比例混合装置的优点是泡沫混合比相对第一代产品较为稳定，缺点是泡沫液容量有限，用完后无法随时添加。

第三代产品为压力平衡式泡沫比例混合装置，泡沫液储存在常压容器中，泡沫液通过泡沫泵加压输送至压力平衡阀，压力平衡阀通过平衡泡沫液压力与消防水压，确保能够通过压力平衡阀进入比例混合器的泡沫液压力与消防水压保持压差基本恒定，多余泡沫液通过回液管道输送回到泡沫液罐［6－8］。由于压力平衡阀可以让进入比例混合器的消防水和泡沫液压力差保持相对稳定，因此，这种泡沫比例混合装置的泡沫混合比更加稳定，且泡沫液也可随时添加，但设备结构较第二代更为复杂，除了有能量浪费外，还存在平衡阀失效导致系统无法运行的风险。

以上三代产品为现阶段消防系统设计应用的主流，它们共有一个核心部件：比例混合器。正因如此，这三代产品只适用于泡沫混合比较大的泡沫液，而且能够使用的消防水流量范围通常都较窄，最大的缺陷在于比例混合器带来的消防水大幅压降。

第四代产品为计量注入式泡沫比例混合装置，泡沫液储存在常压容器中，消防水管道中安装流量计，流量信号传送至控制器，控制器按照设定的泡沫混合比和消防水流量计算出所需的泡沫液流量，并通过控制变频器、变频电机、容积泵将需要的泡沫液从泡沫液罐中抽出注入消防水管道，与消防水混合形成泡沫混合液［9，10］。这种泡沫比例混合装置拥有众多优点：可随时添加泡沫液；如果选用了合理的流量计，消防水流量范围可以很广；由于泡沫混合不再需要比例混合器，因此就不存在压降；泡沫混合比可随时在控制器中设置，混合比可大可小，使用非常方便。但缺点是系统构成比较复杂，且系统的供电可靠性要求较高。

还有一些其他的计量注入式泡沫比例混合方法，如同时在消防水管道和泡沫液管道安装流量计，两路流量信号传送至控制器计算泡沫混合比，并将计算值与预设值进行比对，如果计算值大于预设值，则通过泡沫液管道上电控阀门开度的减少调整泡沫液流量，反之则增加阀门开度［11］。不管是何种原理的计量注入式泡沫比例混合装置，第四代产品的泡沫混合原理与前三代产品都有着本质的区别，也因此导致现有产品无法根据标准检测并实现工程应用［12－14］。

基于前四代产品的优劣分析，本文参照相关文献［15］设计了第五代泡沫比例混合装置：机械泵入式泡沫比例混合装置，及其核心部件：一种特殊水轮机。新一代泡沫装置只有三个基本组成部件：水轮机、联轴器和泡沫泵，具有结构简单紧凑、系统能量利用率高、可靠性高、泡沫液可以随时添加等优点。系统工作时，由安装在消防供水管道上的水轮机输出转动机械能，通过联轴器驱动泡沫泵，泡沫泵将常压泡沫罐中的泡沫加压注入消防供水管道中，与消防水混合。设置合适的水轮机参数，挑选正确的泡沫泵后，泡沫混合比就可以保持恒定，而不管消防水流量如何变化。如果让水轮机输出转速与通过水轮机的流量成正比，泡沫泵的输出流量与泡沫泵的转速也成正比，由于水轮机与泡沫泵之间使用联轴器连接保证了两者的转动同速，就可以让泡沫液的流量与消防水的流量之比得以保持恒定。

1 机械泵入式泡沫比例混合装置原理分析

机械泵入式泡沫比例混合装置的主体原理如图1所示。图中的圆圈为水轮机，大方框为泡沫泵，选用容积泵即可保证输出泡沫流量与转速成正比，圆圈与大方框之间的小方框为联轴器。设Pin，Qin分别是消防供水的压力和水轮机输入流量；Pout，Qout是泡沫装置输出时的压力和流量；A为水轮机机械效率乘以传动轴（联轴器或其他齿轮变速箱）效率，再乘以柱塞泵效率之积；pfin，qf是泡沫输入压力和输入流量，当泡沫液储存在常压容器中时，pfin＝0；pf，qf是注入消防供水管道中的泡沫压力和流量，很显然pf＝Pout；

图1 机械泵入式泡沫比例混合装置原理Fig.1 Elementary diagram of mechanical injection foam proportioner

由前文可知，水轮机压力损失ΔP＝Pin－Pout，从而得到水轮机输出机械能wout＝ΔP×Qin＝（Pin－Pout）×Qin，考虑总机械效率A后，泡沫泵的输入机械能为Wpumpin＝Wout×A，而泡沫泵的输出机械能Wpumpout＝（pf－pfin）×qf，再由Wpumpin＝Wpumpout可知 （pf－pfin）×qf＝A×（Pin－Pout）×Qin。设泡沫混合比为α，由于Qout＝Qin＋qf，那α＝qf÷Qout＝qf÷（Qin＋qf），再加上pfin＝0、pf＝Pout等条件，可以推导出式1与式2。

从公式2可知水轮机的相对压力损失只与泡沫液混合比、总机械效率有关，跟通过装置的水流量，泡沫流量等参数无关。当泡沫比例混合装置的输出端的流量系数是K时，消防供水管道上的压降ΔP与流量Qout之间的关系为式3。

公式3说明系统压降与输出流量的平方成正比，与泡沫喷射装置的流量系数的平方成反比。设泡沫混合比为3%（常用水成膜泡沫混合比为3%）、总机械效率为80%、流量系数K为500（与泡沫产生器PC8与PC16各一个时的K系数相近）、泡沫装置的输入压力为0.8MPa（泡沫系统工作压力范围为0.6MPa～1.2MPa），从公式2、3可知：当水轮机输入总流量达到1386.6L／min时，系统压力损失只有0.028MPa，仅为输入压力值的3.5%，而且ΔP ＝1.456×10－8Q2out。（备注：上述公式涉及的参数中，压强单位为MPa，流量单位为L／min。）

2 特殊水轮机设计

机械泵入式泡沫比例混合装置的核心在于一种特殊的水轮机。有别于现有的常规水轮机，泡沫装置要求水轮机的输出转速跟水流量成正比，而且有足够的输出扭矩以驱动泡沫泵。前一特性恰好与容积泵的特性相同，只是能量转换方向不同，水轮机是将消防水的能量转换为转动机械能，而容积泵正好相反。因此，如果将某种结构的容积泵进行适当的修改，使它由原先的从动装置变成驱动装置，就可以实现机械泵入式泡沫比例混合装置。

结构与水轮机相似的容积泵是叶片泵，它定义为通过叶轮的旋转，将动力机的机械能转换为水能（势能、动能、压能）的水力机械［16］。专著上的叶片泵包括离心泵、混流泵、轴流泵、滑片泵或其他特殊的泵，狭义叶片泵只有滑片泵一种容积泵。滑片泵原理结构如图2所示，它主要由转子、定子（即泵体）、滑片及两侧盖板所组成。依靠偏心转子旋转时泵缸与转子上相邻两叶片间所形成的工作容积的变化来输送液体或使流体增压。转子是具有径向槽的圆柱体，槽内安放滑片，滑片可以在槽内自由滑动。转子偏心地安放在泵体内，当转子由原动机带动旋转时，滑片依靠离心力或弹簧力紧压在泵体的内壁上。在转子前半转，相邻两叶片所包围的空间逐渐增大形成局部真空而吸人液体。而后半转，此空间逐渐减小，挤压液体，将液体压送到排出管中。

很显然，如果直接将滑片泵的流体输出端与输入端反接，滑片泵就具有机械转动输出的可能。但现有结构太过于复杂，而且效能低下，最重要的是现有滑片泵几乎全部只能用于输送油类，直接将输送介质更换为水后，密封问题和润滑问题变得非常突出。为了解决这些问题，本文对滑片泵内部结构作了一些优化，设计了一种特殊结构的定子、转子和两个滑片，同时为相关零件选择了合适的材质和密封方法。最终设计成功的定子结构如图3所示，滑片结构如图4所示。

图2 滑片泵示意图Fig.2 Sketch of sliding vane pump

图3 特殊水轮机内部结构示意Fig.3 Internal structure sketch of the special hydroturbine

图4 滑片结构示意Fig.4 Sketch of sliding vane

由图3可知，水轮机主体由外壳、定子、转子和两个滑片组成。图4中两个滑片完全相同，均为C形，成十字相对交叉与转轴上的十字槽间隙配合安装，滑片长度等于定子上下两圆弧面半径之和。定子内腔由四段圆弧面构成，其中上下两段圆弧面共轴，左右圆弧面对称。当内腔一侧水压高于另一侧时，两个滑片的扭矩之和推动转轴旋转，滑片同时在转轴十字槽内滑动。上下圆弧面夹角根据数值模拟分析结果选择合适值，并合理设计左右两侧圆弧面后，可以使滑片跟随转轴运动过程中不出现死点，也不产生泄露。设上下两段圆弧面半径分别为r（m），R（m），定子厚度为H（m）后，可以得到水轮机通过流量Qin（m3／min）与输出转速 M（rpm）的关系式（式4）与输出理论扭矩N（N＊m）的计算公式（式5）。设r＝80mm、R＝100mm、H＝100mm，其他参数与上文一样，则可算出水轮机输出转速为1227rpm，输出扭矩为5.04N＊m。

当泡沫泵转动所需扭矩大于水轮机输出扭矩时，水轮机被迫降低转速。而水轮机每转通过的流量只跟R、r、H有关，因此转速降低后流经水轮机水流量将减少，以致无法满足灭火应用端的供水需要，水轮机出水口压力随之降低。于是ΔP变大，从公式5可知水轮机输出扭矩也随之变大，直到与泡沫泵正常运行时扭矩相等，此时泡沫比例混合装置的最大流量就受制于泡沫泵的输入扭矩N，最大流量计算公司如式6所示。例如泡沫泵转动扭矩为36N×m时，本装置最大运行流量就只有1224.7L／min。而当泡沫泵转动扭矩小于水轮机输出扭矩时，水轮机的转速则只跟灭火应用端的用水量相关。

3 设计验证

图5是本文设计的样品，水轮机入水口、进水口通径DN100，选用的泡沫泵为隔膜柱塞泵，水轮机出口使用蝶阀调节流量。经测试发现此规格机械泵入式泡沫比例混合装置可使用的流量范围为300L／min～2000L／min，适用压力范围为 0MPa～1.6MPa，泡沫混合比3.0%，水流相对压力损失为4%。滑片、转轴以及内腔之间的微量泄漏以及机械传动的能量损耗导致总体机械效率只达到了70%。

4 机械泵入式泡沫比例混合装置的典型应用

图6给出的是机械泵入式泡沫比例混合装置的典型应用，图中消防水泵将水箱中的消防水加压输送到灭火应用区，只需要在输送管道上像安装阀门那样，将机械泵入式泡沫比例混合装置的水轮机安装到管道中，并将泡沫装置上的泡沫泵入口管道与泡沫箱出口管道相连，将泡沫泵输出连接到水轮机后的供水管道即可。如系统使用后需要对泡沫泵进行清洗，只需从供水管道上引出水管，连接到泡沫泵入口，使用三通球阀切换清洗管道和供泡沫液管道即可。对比图7的压力平衡式泡沫比例混合装置应用原理，可以发现第五代泡沫比例混合装置结构更加紧凑，可靠性更高，可以预见机械泵入式泡沫装置在不久的将来拥有广阔的应用前景。

图5 样品照片Fig.5 Sample photo

图6 典型系统应用Fig.6 Typical usage in a system

图7 压力平衡式泡沫系统原理Fig.7 Elementary diagram of pressure-balanced foam system

5 结论

本文先介绍了消防用泡沫比例混合装置的产品进化史，参考叶片泵原理和相关文献设计了机械泵入式泡沫比例混合装置及其核心部件特殊水轮机，给出了原理分析和样品验证结果，最后举例说明了这种泡沫比例混合装置的典型应用方法。机械泵入式具有泡沫液可随时添加、系统压降小、结构紧凑、可靠性高、混合比精确、无需额外供电等优点，具有很好的应用前景。

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R＆D and typical usage of mechanical injection foam proportioner

LIU Yi-min

（Shanghai Jindun Fire-Fighting Security Equipment Co.，Ltd，Shanghai，201318，China）

In this paper，different generations of foam based fire-fighting systems and their characteristics are first summarized.Based on the theoretical analysis of mechanical injection proportioner，the core component（a special hydro-turbine）for the fifth generation of foam proportioner is designed by referring to the interior structure of vane pump and former research.In order to optimize the hydro-turbine，specific materials of the nucleus structures are chosen，computer based motion simulation software is used to analyze the interior structure，and the design is improved based on analysis.The testing model shows that this kind of foam system can meet the engineering demand.Typical usage of such proportioner is described as a sample system at the end.

Mechanical injection；Foam proportioner；Hydro-turbine；Vane pump

X915.5

A

1004-5309（2012）-0040-05

2011-11-30；修改日期：2011-12-29

刘益民（1979-），男，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室博士，安全技术及工程专业、研究方向为清洁高效灭火。