一种消防恒压给水设备用泵设计方法的研究

卢国军 ,赵伟国

(1.上海凯泉泵业(集团)有限公司技术中心,上海 201804;2.甘肃省流体机械及系统重点实验室，甘肃 兰州 730050)

1 概述

为了响应本公司消防自动恒压给水设备项目成功投产，满足公司市场需要，针对GB27898.2-2011 固定消防给水设备用泵的特殊性，通过对标准的研究阅读，从中归纳、摘录出稳压泵组的几点设计要点：

（1）稳压泵组的材料应符合GB6245；（2）稳压泵组达到125%标称流量，泵组出水口压力不应大于泵组标称压力的65%；（3）稳压泵组达到125%标称流量,泵组功率要不大于电机配套功率。

常规的离心泵特性曲线无法满足固定消防给水设备的要求，因此需要突破常规进行水泵叶轮的设计，由于目前还没有发现成熟的针对固定消防给水设备用泵的设计理念及设计标准，故设计工作量大，难度高，试制成本高，由于项目设计周期短，本次设计是结合现有产品技术数据的基础上，对现有产品进行设计改造，从而达到本项目设计要求。

2 设计思路

主要参数：

Q—设计流量，单位为m3/h；

H—设计扬程，单位为m；

n—设计转速，单位为r/min；

ns—比转速，ns=3.65nQ0.5/H0.75；

D1—叶轮入口直径，单位为mm；

D2—叶轮外径，单位为mm；

b2—叶轮出口宽度，单位为mm；

g—重量加速度，一般取9.81m/s2；

b3—导叶进口宽度，单位为mm。

设计应满足的性能曲线如图1 所示。

图1 消防恒压离心泵的性能曲线

本次设计主要设计思路是速度系数法设计，通过图1 性能曲线分析，为了满足多工况性能要求及过流部件几何参数对泵特性曲线的影响，初步确定用冲压焊接离心泵改型，围绕目前冲压泵设计、制造等特殊性，在常规水泵设计方法基础上，调整水泵设计参数，结合大量设计实例，通过对新设计的冲压泵性能试验，大胆尝试，寻找新的可靠设计，笔者经过设计规律并铺以计算公式，图表，逐步归纳出消防自动恒压给水设备用稳压泵的设计经验。

2.1 叶轮型线设计宜采用的方法

（1）口径≤25,比转速≤50，宜采用单圆弧法绘制，有利于制造，尺寸容易保证，降低成本。如图2 所示。

图2 口径≤25,比转速≤50 的叶轮型线设计

（2）口径≤40,比转速≤90，宜采用单圆弧法绘制，有利于制造，尺寸容易保证，降低成本。如图3 所示。

图3 口径≤40,比转速≤90 的叶轮型线设计

（3）口径≥50,比转速〉90,如图4 所示。

图4 口径≥50,比转速〉90 的叶轮型线设计

2.2 设计工况点的确定

从图1 数据分析，为了满足1.25Qn 性能要求，需要对设计点进行前移，笔者建议0.7Qn 数据为设计工况点；关死点扬程建议取1.4～1.5m。

（1）叶轮外径D2。根据文献中速度系数法设计，可知。

式中ku2为经验系数，有斯捷潘洛夫速度系数和国产统计速度系数图[2]。

鉴于冲压泵制造等内部水力泄漏较大，结合笔者近几年的冲压泵设计经验，在对叶轮外径计算取值上，可取ku2=1.01～1.15，比转速越大取值越大。

（2）叶轮入口直径。叶轮入口直径宜采用公式D1=kD1*D2,式中kD1为经验系数，值为0.41～0.55,比转速越大取值越大。

（3）叶轮出口宽度b2。根据文献中速度系数法设计，可知。

式中km2为经验系数，鉴于冲压泵叶片表面光滑，结合笔者近几年的冲压泵设计经验，在对叶轮外径计算取值上，可取km2=0.06～0.15，比转速越大取值越大.也宜可参考斯捷潘洛夫速度系数和国产统计速度系数图表的，但一般建议取小值。

（4）叶轮出口安放角β2。结合制造难度、降成本及笔者近几年经验，宜选用28°～35°。

（5）叶片包角选择。结合制造难度、降成本及笔者近几年经验宜选用90°～120°。

3 实例分析

改型设计实例的设计参数：

选择对DP40-10×9 进行改型设计 (流量：Q=10m3/h;扬程H=70m,转速n=2930r/min，功率=3kw)。

根据性能测试数据表1 可以看出，1.25 流量点与额定流量点扬程比值为0.85，不符合消防自动恒压给水设备用稳压泵标准规范，故对叶轮进行重新设计改造。

表1 DP40-10x9 泵的性能测试数据

以下简要描述3CF-DP40-8-69 的设计过程及测试结果。

（1）设计工况点的确定，Q=Qn*0.7=5.6，扬程通过图1 量取，本例单级扬程取10m。

（2）叶轮型线根据比转速选用如图3 所示。

（3）叶轮进口直径D1计 算D1=kD1*D2，kD1取0.45，经计算D1=43.2,取43.1。

（4）叶轮外径D2计算,ku2取1.04,经计算D2=96,取96。

（5）叶轮出口宽度b2计算,km2取0.099，经计算b2=3.82,取3.8。

（6）叶片出口角β2,在其他参数不变时,叶片出口安放角β2越大,叶轮外径D2就越小,同时圆盘摩擦损失也越小,可以提高水泵的效率,故本例取32°。

根据计算结果，绘制零件图，加工，试生产。最终测试结果见表2，参数均在表2 要求的数据范围内，符合稳压泵要求。

表2 3CF-DP40-8-69 泵的性能测试数据

泵型号：3CF-DP40-8-69 的主要参数：流量=8(m3/h)；扬程=69m；功率=3kw；转速=2930r/min。

（7）原型与改进型Q-H 曲线比较。由图5 可以看出，经过叶轮的改型设计，设计工况点的流量前移，扬程比原型模型变小，1.25 流量点与额定流量点扬程比值为0.58，且测试轴功率为2.41kw,符合稳压消防泵标准要求的性能曲线。

图5 原型与改进型Q-H 曲线比较

4 结论

(1) 经过设计改进案例分析,用速度系数法设计消防自动恒压给水设备用稳压泵方法是可行的。

(2)本文通过速度系数法改进设计,在同类别消防自动恒压给水设备用稳压泵中已经广泛应用,有很好的借鉴意义。

(3) 冲压焊接式离心泵作为量大面广的中小型铸造离心泵理想换代产品,在我国研制年代较晚,水力设计方法还不是十分成熟,更普遍意义上的研究还需要大家的共同努力。