应急（消防）柴油机水泵机组提速研究

包珺 童辉云 乐毅成

(中国船舶重工集团公司第七一二研究所, 武汉 430064)

S型单级双吸中开离心泵的额定转速通常是1450 rpm，柴油机的额定转速通常是1500 rpm和1800 rpm。由于柴油机的转速可以在±50 rpm范围内调整，并且柴油机的性能和功率没有影响，所以应急柴油机水泵机组[1]一般选用额定转速为1450 rpm的 S型双吸中开离心泵和额定转速为1500 rpm的柴油机，通过高弹联轴器或离合器连接水泵和柴油机。

对于同一型号的柴油机，额定转速为 1800 rpm时比额定转速为1500 rpm时功率高约10%，价格却是一样的。因此，如果能将水泵的转速提高到1750 rpm，就能降低柴油机和水泵的采购成本，提高应急柴油机水泵机组的市场竞争力。

1 提速原理和利弊分析

根据离心泵的比例定律[2]，对同一台离心泵：

式中：n─转速；Q─流量；H─扬程；P─轴功率；NPSHr─汽蚀余量。

式(1)、(2)表明：水泵的流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比。对于同一台水泵，提速后流量和扬程会提高。反之，如果流量和扬程不变，提速后的水泵就可以是型号较小的泵型，价格自然就会降低。

Omega型水泵采用的是德国技术，其原型是60 Hz即转速为1750 rpm。国内厂家根据中国国情将水泵转速改为1450 rpm，水泵的性能参数也做了相应的改变。因此，Omega型水泵可以提速到1750 rpm。Omega型水泵提速后，可能带来一些弊端，因此，要对水泵的主要性能参数和结构部件进行分析：

1) 水泵的汽蚀余量

水泵汽蚀发生时，会产生振动和噪声，叶轮局部地方在巨大冲击力的反复作用下，材料表面疲劳，从点蚀到形成严重的蜂窝状空洞损坏叶轮。水泵的流量、扬程和效率急剧下降，严重时甚至吸不上水。由式（4）可以计算出，水泵转速由1450 rpm提高到1750 rpm后，汽蚀余量会提高约46%。因此为保证水泵正常运转，提速设计时要考虑水泵的汽蚀余量和水泵进口压力，确保水泵提速后不发生汽蚀现象。

2) 水泵的振动

水泵的振动太大会影响水泵的性能和寿命。水泵的振动级别分为A、B、C、D四级，D为不合格[3]。水泵的振动评价方法是首先按水泵的中心高和转速查表1确定水泵类别，再根据水泵的振动烈度值查表2可得到评价水泵的振动级别。

表1 水泵分类

表2 水泵的振动评价表

3) 水泵的噪声

用三个极限值LA、LB、LC把水泵的噪声分为A、B、C、D四级，D为不合格[4]。式中：LA、LB、LC─划分水泵噪声级别的限值，dB；Pu─水泵的输出功率，kW；n─水泵转速，rpm。

当Pun≤27101.3时，噪声值L≤85 dB评价为合格，可以不去区别其噪声的级别；当 Pun＞27101.3时，L≤LA评为 A 级，LA＜L≤LB评为 B 级，LB＜L≤LC评为C级，L＞LC评为D级。

4）水泵主轴受力分析

水泵的轴用来传递扭矩，驱动叶轮旋转。在轴上固定有水泵的叶轮、轴承、密封装置及联轴节等部件，因此，轴的受力分析特别重要。轴的转矩计算为：

式中：Mn─轴的转矩，Nm；P─水泵轴功率；kW；n─水泵的转速，rpm。

式（8）表明：水泵提速后，轴的转矩会减小。

5）水泵轴承寿命分析。

轴承用来支撑转子零件，并承受零件上的多种载荷，其额定寿命计算为：

式中：Lh─额定寿命，h； n─水泵的转速； c─额定动负荷；p─当量动负荷；ε─寿命系数。

式（9）表明：水泵提速后，轴承的额定寿命会变大。

6）水泵的密封装置

为了保证水泵的正常工作，应防止液体外漏和内漏，或外界空气吸入泵内，因此必须在叶轮与泵壳间、轴与壳体间装有密封装置。常用的密封装置有填料密封和机械密封。机械密封的泄漏量极小，寿命长，对轴的摩擦力小，功率损失小，耐振动性好。因此，提速的水泵应选用机械密封。

2 提速实例设计

某钢厂高炉用应急柴油机水泵机组要求流量为970 m3/h，扬程为125 m，要求选用美国康明斯柴油机。

按传统设计方法，水泵选用200-670型水泵，该泵转速为1450 rpm，效率为77%，汽蚀余量为5.0,轴功率为 429 kW，配套柴油机为QSK19-G2,533 kW/1500 rpm。

现采用水泵提速设计方案，水泵选用200-520型水泵，该泵转速提到1750 rpm，效率为83%，汽蚀余量为6.0，轴功率为398 kW，配套柴油机为QSX15-G9，507 kW/1800 rpm。

很明显，提速方案中水泵和柴油机的型号变小，因此，机组结构更紧凑，外形更小；水泵汽蚀余量虽然加大了，但由于水泵进口为倒灌水，没有影响；由于泵型选用合理，该泵的效率也更高。

通过试验表明，水泵的振动和噪声虽然有所加大，但仍然满足标准要求；柴油机的振动也满足国家标准[5]要求。

3 结束语

应急柴油机水泵机组提速研究和试验结果表明，应急柴油机水泵机组的提速在确保机组性能和满足用户要求的前提下，优化了机组配套设计，降低了主要外购件的采购成本。

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[1]七一二研究所企业标准. Q/712J43-2003应急/消防柴油机水泵机组. 2003年1月.

[2]陈乃祥, 吴玉林. 离心泵. 北京：机械工业出版社.2002年5月.

[3]机械部标准. JB/T8097-1999泵的振动测量与评价方法. 1999年.

[4]机械部标准.JB/T8098-1999泵的噪声测量与评价方法. 1999年.

[5]国家标准.GB/T10397-2003中小功率柴油机 振动评级. 2003年11月.