應(yīng)急（消防）柴油機(jī)水泵機(jī)組提速研究

包珺 童輝云 樂(lè)毅成

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所, 武漢 430064)

S型單級(jí)雙吸中開(kāi)離心泵的額定轉(zhuǎn)速通常是1450 rpm，柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速通常是1500 rpm和1800 rpm。由于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速可以在±50 rpm范圍內(nèi)調(diào)整，并且柴油機(jī)的性能和功率沒(méi)有影響，所以應(yīng)急柴油機(jī)水泵機(jī)組[1]一般選用額定轉(zhuǎn)速為1450 rpm的 S型雙吸中開(kāi)離心泵和額定轉(zhuǎn)速為1500 rpm的柴油機(jī)，通過(guò)高彈聯(lián)軸器或離合器連接水泵和柴油機(jī)。

對(duì)于同一型號(hào)的柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為 1800 rpm時(shí)比額定轉(zhuǎn)速為1500 rpm時(shí)功率高約10%，價(jià)格卻是一樣的。因此，如果能將水泵的轉(zhuǎn)速提高到1750 rpm，就能降低柴油機(jī)和水泵的采購(gòu)成本，提高應(yīng)急柴油機(jī)水泵機(jī)組的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 提速原理和利弊分析

根據(jù)離心泵的比例定律[2]，對(duì)同一臺(tái)離心泵：

式中：n─轉(zhuǎn)速；Q─流量；H─揚(yáng)程；P─軸功率；NPSHr─汽蝕余量。

式(1)、(2)表明：水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比。對(duì)于同一臺(tái)水泵，提速后流量和揚(yáng)程會(huì)提高。反之，如果流量和揚(yáng)程不變，提速后的水泵就可以是型號(hào)較小的泵型，價(jià)格自然就會(huì)降低。

Omega型水泵采用的是德國(guó)技術(shù)，其原型是60 Hz即轉(zhuǎn)速為1750 rpm。國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家根據(jù)中國(guó)國(guó)情將水泵轉(zhuǎn)速改為1450 rpm，水泵的性能參數(shù)也做了相應(yīng)的改變。因此，Omega型水泵可以提速到1750 rpm。Omega型水泵提速后，可能帶來(lái)一些弊端，因此，要對(duì)水泵的主要性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行分析：

1) 水泵的汽蝕余量

水泵汽蝕發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，葉輪局部地方在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，材料表面疲勞，從點(diǎn)蝕到形成嚴(yán)重的蜂窩狀空洞損壞葉輪。水泵的流量、揚(yáng)程和效率急劇下降，嚴(yán)重時(shí)甚至吸不上水。由式（4）可以計(jì)算出，水泵轉(zhuǎn)速由1450 rpm提高到1750 rpm后，汽蝕余量會(huì)提高約46%。因此為保證水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提速設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水泵的汽蝕余量和水泵進(jìn)口壓力，確保水泵提速后不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

2) 水泵的振動(dòng)

水泵的振動(dòng)太大會(huì)影響水泵的性能和壽命。水泵的振動(dòng)級(jí)別分為A、B、C、D四級(jí)，D為不合格[3]。水泵的振動(dòng)評(píng)價(jià)方法是首先按水泵的中心高和轉(zhuǎn)速查表1確定水泵類(lèi)別，再根據(jù)水泵的振動(dòng)烈度值查表2可得到評(píng)價(jià)水泵的振動(dòng)級(jí)別。

表1 水泵分類(lèi)

表2 水泵的振動(dòng)評(píng)價(jià)表

3) 水泵的噪聲

用三個(gè)極限值LA、LB、LC把水泵的噪聲分為A、B、C、D四級(jí)，D為不合格[4]。式中：LA、LB、LC─劃分水泵噪聲級(jí)別的限值，dB；Pu─水泵的輸出功率，kW；n─水泵轉(zhuǎn)速，rpm。

當(dāng)Pun≤27101.3時(shí)，噪聲值L≤85 dB評(píng)價(jià)為合格，可以不去區(qū)別其噪聲的級(jí)別；當(dāng) Pun＞27101.3時(shí)，L≤LA評(píng)為 A 級(jí)，LA＜L≤LB評(píng)為 B 級(jí)，LB＜L≤LC評(píng)為C級(jí)，L＞LC評(píng)為D級(jí)。

4）水泵主軸受力分析

水泵的軸用來(lái)傳遞扭矩，驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。在軸上固定有水泵的葉輪、軸承、密封裝置及聯(lián)軸節(jié)等部件，因此，軸的受力分析特別重要。軸的轉(zhuǎn)矩計(jì)算為：

式中：Mn─軸的轉(zhuǎn)矩，Nm；P─水泵軸功率；kW；n─水泵的轉(zhuǎn)速，rpm。

式（8）表明：水泵提速后，軸的轉(zhuǎn)矩會(huì)減小。

5）水泵軸承壽命分析。

軸承用來(lái)支撐轉(zhuǎn)子零件，并承受零件上的多種載荷，其額定壽命計(jì)算為：

式中：Lh─額定壽命，h； n─水泵的轉(zhuǎn)速； c─額定動(dòng)負(fù)荷；p─當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷；ε─壽命系數(shù)。

式（9）表明：水泵提速后，軸承的額定壽命會(huì)變大。

6）水泵的密封裝置

為了保證水泵的正常工作，應(yīng)防止液體外漏和內(nèi)漏，或外界空氣吸入泵內(nèi)，因此必須在葉輪與泵殼間、軸與殼體間裝有密封裝置。常用的密封裝置有填料密封和機(jī)械密封。機(jī)械密封的泄漏量極小，壽命長(zhǎng)，對(duì)軸的摩擦力小，功率損失小，耐振動(dòng)性好。因此，提速的水泵應(yīng)選用機(jī)械密封。

2 提速實(shí)例設(shè)計(jì)

某鋼廠(chǎng)高爐用應(yīng)急柴油機(jī)水泵機(jī)組要求流量為970 m3/h，揚(yáng)程為125 m，要求選用美國(guó)康明斯柴油機(jī)。

按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，水泵選用200-670型水泵，該泵轉(zhuǎn)速為1450 rpm，效率為77%，汽蝕余量為5.0,軸功率為 429 kW，配套柴油機(jī)為QSK19-G2,533 kW/1500 rpm。

現(xiàn)采用水泵提速設(shè)計(jì)方案，水泵選用200-520型水泵，該泵轉(zhuǎn)速提到1750 rpm，效率為83%，汽蝕余量為6.0，軸功率為398 kW，配套柴油機(jī)為QSX15-G9，507 kW/1800 rpm。

很明顯，提速方案中水泵和柴油機(jī)的型號(hào)變小，因此，機(jī)組結(jié)構(gòu)更緊湊，外形更??；水泵汽蝕余量雖然加大了，但由于水泵進(jìn)口為倒灌水，沒(méi)有影響；由于泵型選用合理，該泵的效率也更高。

通過(guò)試驗(yàn)表明，水泵的振動(dòng)和噪聲雖然有所加大，但仍然滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求；柴油機(jī)的振動(dòng)也滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5]要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)急柴油機(jī)水泵機(jī)組提速研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)急柴油機(jī)水泵機(jī)組的提速在確保機(jī)組性能和滿(mǎn)足用戶(hù)要求的前提下，優(yōu)化了機(jī)組配套設(shè)計(jì)，降低了主要外購(gòu)件的采購(gòu)成本。

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[1]七一二研究所企業(yè)標(biāo)準(zhǔn). Q/712J43-2003應(yīng)急/消防柴油機(jī)水泵機(jī)組. 2003年1月.

[2]陳乃祥, 吳玉林. 離心泵. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2002年5月.

[3]機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn). JB/T8097-1999泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法. 1999年.

[4]機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn).JB/T8098-1999泵的噪聲測(cè)量與評(píng)價(jià)方法. 1999年.

[5]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB/T10397-2003中小功率柴油機(jī) 振動(dòng)評(píng)級(jí). 2003年11月.