船舶消防疏水一体化泵组设计及试验研究

2021-01-18付本国张颖军

机电工程技术 2020年12期

付本国，张颖军

（海军潜艇学院防险救生系，山东青岛 266199）

0 引言

随着造船科技的不断发展，海上船舶趋于规模大型化、构造复杂化、航行快速化，使得火灾风险一直居高不下，而舰船如果发生着火事故，势必会造成财产、人员等重大损伤，以及对环境的重大危害。文献[1-3]中提出英国某保险公司的文件数据显示，每年的舰船火灾为海洋灾难的26%，该数据表明火灾已经成为舰船人员财产伤亡的主要因素。

随着海军舰艇兵力深远海活动逐渐常态化，舰艇自救、互救能力日益得到重视。其中，消防能力是舰船海上安全的基本要求，也是经常可以对外提供救助的重要方面之一，更需得到加强。

目前，船舶消防泵广泛采用的是单级或多级离心泵。该种泵存在单级扬程低、多级效率低、流量调节范围小、振动噪声大、空蚀性能差等缺点，迫切需要研发一款新型高扬程、流量调节范围大、振动噪声低、效率高、空蚀性能好的船舶消防泵。

本文通过对船舶消防疏水一体化泵组技术的研究，提出了采用双螺旋流恒压泵串、并联方法，来实现消防泵功能，2台螺旋流恒压泵分别独立且串联射流泵实现应急排水泵功能的工作方案，研制了螺旋流恒压泵组样机，并通过性能试验验证该方案的可行性。

1 技术方案

1.1 技术指标

消防用疏水泵平稳性要求其扬程曲线是平坦曲线，并且在较小的流量区域范围内，其扬程不能太大；而在大的流量区域内，扬程又不能降低太快[4-5]。国标《GB6245-2006 的消防泵》和美国规范NFPA20，使得消防疏水泵能够在额定流量的150%的条件下平稳工作，并且扬程不低于额定扬程的65%，疏水泵关死点的扬程也不能高于额定扬程的140%[6-7]。

船舶消防泵主要用于为船舶消防系统的消防栓和消防水炮提供高压水，消灭本船火灾或者他船火灾。海上船舶火灾发展迅速、规模差异大、难于控制，对消防泵提出了非常苛刻的技术要求，具体如下。

（1）扬程高。只有扬程高，才能远距离喷射，解决高温、高海况等恶劣环境条件下无法靠近火灾点的问题。现有船舶消防泵的扬程通常为35～90 m，水平喷射跨度为15～40 m，还不能很好地满足实际需求。通过归纳、分析国内外大型船舶火灾处置方案和海上救援实际经验，消防泵扬程宜划分为4 个档次：基本档次50 m，满足小型船舶所需；通用档次80 m，满足大多数船舶所需；高端档次160 m，满足专业救助船舶所需；超高档次300 m以上，满足大型船舶、大型火灾、危险核化等所需。本文所研究的消防泵，为满足绝大多数船舶自救、互救消防所需，扬程定为80 m和160 m。

（2）流量可调范围大，流量变动时扬程稳定。火灾规模难以预料，消防泵流量指标可调范围大。消防疏水泵在额定流量的150%的状态下平稳工作，并且其扬程也不能低于额定扬程的90%，疏水泵关死点的扬程不能高于额定扬程的110%，应显著高于美国消防泵规范NFPA20 要求。本文所研究的消防泵的额定流量为180 m3/h（扬程为80 m）和90 m3/h（扬程为160 m）。

（3）可以兼作应急疏水泵，其扬程小、流量大、效率高。依据船舶通用规范GJB4000-2000 要求，船舶破损堵漏后，排干其最大舱室浸水时间不大于1.5 h，参考现有船舶应急排水泵流量，本文所要研究的一组消防泵兼作应急疏水泵时，额定流量为360 m3/h（扬程为6 m）和270 m3/h（扬程为10 m）。

1.2 泵组工作原理

本文所提出的船舶消防泵组原理如图1所示。设有2套可独立并联运行的设备组合：2台同型号的旋流恒压泵式消防泵（水泵1和水泵2）、2座同型号水炮（水炮1和水炮2）以及手动控制阀组。当阀1 和阀2 工作在左位，阀3 工作在右位时，水泵1和水泵2可串联使用，在保持流量不变情况下扬程升高1倍。

图1 消防疏水一体化泵组工作原理

水泵1和水泵2的技术参数：额定扬程为80 m、额定流量为90 m3/h；两泵独立并联运行时，额定扬程为80 m、额定流量为180 m3/h；两泵串联运行时，额定扬程为160 m、额定流量为90 m3/h；消防疏水泵在额定流量为150%的状态下平稳工作，并且其扬程也不可以低于额定扬程的90%，疏水泵关死点的扬程是不能高于额定扬程的110%；作为应急疏水泵使用时，额定流量为360 m3/h（扬程为6 m）和270 m3/h（扬程为10 m）。

1.3 螺旋流恒压泵式消防泵技术方案

图2 螺旋流恒压泵扬程-流量关系曲线

依据技术要求，通过查阅文献和实地调研，对比在用的离心泵、切线泵、旋流泵，在中国农业大学李世煌指导下，提出螺旋流恒压泵技术方案[8-10]。螺旋流恒压泵的扬程-流量关系曲线如图2 所示，扬程随着流量的增加保持不变；在150%额定流量时扬程仍然保持恒定；在突然关闭负载时，扬程保持不变或略有下降（扬程变化幅度在5%以内，传统离心泵的压力变化范围在30%以上）。螺旋流恒压泵的性能非常适合消防泵要求。

1.4 消防泵兼作应急疏水泵技术方案

螺旋流恒压泵直接当作应急疏水泵用时，由于输出始终保持恒压，最大流量受功率限制也不会很大，故用作消防泵时的优点此时却成为缺点，疏水效率低、能耗大。

为充分发挥消防泵的疏水作用，可通过在消防泵输出管路串接旋流式射流泵实现，消防泵提供喷射流量，原理如图3所示。旋流式射流泵可高效地借助高压水进一步抽吸水，增加疏水流量。喷嘴的内部流体会旋转流动，因此会减轻堵塞的发生，并且也可减少能量的损耗，泵的疏水吸流作用优于没有旋射的流体泵[11]，文献试验数据[11]如表1所示。

表1 试验数据

图3 疏水泵的示意图

由此可知，本文所设计的消防泵的扬程恒定为80 m、额定流量为180 m3/h。同比放大条件下，理论上喉管截面积与喷嘴截面积之比为4.37 时，由于喷射扬程显著提高（由46.9 m 提高到80 m），应急排水扬程应显著高于6.4 m，流量应明显高于378 m3/h；喉管截面积与喷嘴截面积之比为3.13 时，应急排水扬程应显著高于10.7 m，流量应明显高于270 m3/h。因此满足技术要求。

2 消防泵样机研制

2.1 参数选定

消防泵的额定扬程和额定流量已定，后续设计首要考虑提高效率和降低振动噪声。离心泵、切线泵、旋流泵等同属于叶片泵，其效率大小主要取决于比转速。由统计得出的叶片泵效率图可知[12]，最佳比转速大约为150，推荐比转速选取范围为30～200。比转速ns计算公式如下。

式中：n为转速，r/min；Q为流量，m3/s；H为扬程，m。

由式（1）可知，在确定额定扬程和额定流量后，可通过增大转速来提高比转速和效率；但增加转速后，泵的空蚀性能下降，并可能需要定制专用高速电机，成本显著增加。综合考虑，暂时选用市面比较成熟的普通2极三相交流电机作为动力源，转速为2 980 r/min，比转速为64.29，较好地满足效率要求。

此外，消防泵的其他主要性能参数：电机功率为55 kW，进水管内径为125 mm，出水管内径为80 mm。

2.2 叶轮改进设计

螺旋流恒压泵的核心工作部件是叶轮。在最初采用文献[9]中类似结构的叶轮时，原理样机测试结果表明：由于比转速较低，导致效率低、噪声大。故对叶轮结构进行了改进设计，新设计的叶轮如图4所示，在其圆盘支架上正反两面周向均匀交替分布共7个长叶片和7个短叶片，叶片断面投影近似拉平的L型。

图4 叶轮正面结构图

当泵工作时，靠近叶轮的中心部位的弯折倾斜叶片的后端离心力大于其前端离心力，使得后端液流的压力比前端液流的压力大，叶片间便产生径向的旋转放射流动，因此疏水时就可获得恒压的高扬程疏水泵特性。通过设计长叶片与短叶片的交替布置可以更好地导引螺旋流，在局部内形成二次加压，效率更高。与现有的旋流恒压泵相比，泵出口压力更高、更稳定。由于叶轮正反两面均有叶片，力量平衡、轴向力小、振动小、噪声低。

2.3 样机设计及试制

新设计的螺旋流恒压水泵叶轮正反两面均有叶片，传统的卧式安装、端面进水、周向出水的型式已经不适用。所以，新型泵选择立式安装，电机在上、泵体在下，通过L 型支架固定连接基座及侧壁。泵体选择左侧周向进水和右侧周向出水。为检验设计方案，试制了等比样机，如图5所示。

图5 消防泵等比样机

3 消防泵样机性能试验

依据试制的等比样机，在某水泵标准测试平台进行了性能试验。试验条件为常温、清水介质。试验原理如图6所示。水泵底部固定，左边输入端通过管路连接敞开式水箱1，中间安装压力表1，用于测量进口压力。水泵拖动电机电缆上安装电流表，通过测定电流得到轴功率。水泵右边输出端通过管路连接敞开式水箱2，中间安装有压力表2、流量调节阀和水表。压力表2用于测量出口压力。流量调节阀用于控制水泵输出流量，调节范围为0～120 m3/h。流量计用于实时测量水泵输出流量。水箱1和水箱2的底部由粗水管联通，保证两水箱的水线始终保持基本一致。

试验结果如表2和图7所示。由于电机功率限制，更高流量没有测定。