包珺 童輝云 樂毅成

(中國船舶重工集團公司第七一二研究所, 武漢 430064)

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

對于同一型號的柴油機，額定轉(zhuǎn)速為 1800 rpm時比額定轉(zhuǎn)速為1500 rpm時功率高約10%，價格卻是一樣的。因此，如果能將水泵的轉(zhuǎn)速提高到1750 rpm，就能降低柴油機和水泵的采購成本，提高應急柴油機水泵機組的市場競爭力。

1 提速原理和利弊分析

根據(jù)離心泵的比例定律[2]，對同一臺離心泵：

式中：n─轉(zhuǎn)速；Q─流量；H─揚程；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，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比。對于同一臺水泵，提速后流量和揚程會提高。反之，如果流量和揚程不變，提速后的水泵就可以是型號較小的泵型，價格自然就會降低。

Omega型水泵采用的是德國技術，其原型是60 Hz即轉(zhuǎn)速為1750 rpm。國內(nèi)廠家根據(jù)中國國情將水泵轉(zhuǎn)速改為1450 rpm，水泵的性能參數(shù)也做了相應的改變。因此，Omega型水泵可以提速到1750 rpm。Omega型水泵提速后，可能帶來一些弊端，因此，要對水泵的主要性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)部件進行分析：

1) 水泵的汽蝕余量

水泵汽蝕發(fā)生時，會產(chǎn)生振動和噪聲，葉輪局部地方在巨大沖擊力的反復作用下，材料表面疲勞，從點蝕到形成嚴重的蜂窩狀空洞損壞葉輪。水泵的流量、揚程和效率急劇下降，嚴重時甚至吸不上水。由式（4）可以計算出，水泵轉(zhuǎn)速由1450 rpm提高到1750 rpm后，汽蝕余量會提高約46%。因此為保證水泵正常運轉(zhuǎn)，提速設計時要考慮水泵的汽蝕余量和水泵進口壓力，確保水泵提速后不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

2) 水泵的振動

水泵的振動太大會影響水泵的性能和壽命。水泵的振動級別分為A、B、C、D四級，D為不合格[3]。水泵的振動評價方法是首先按水泵的中心高和轉(zhuǎn)速查表1確定水泵類別，再根據(jù)水泵的振動烈度值查表2可得到評價水泵的振動級別。

表1 水泵分類

表2 水泵的振動評價表

3) 水泵的噪聲

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

當Pun≤27101.3時，噪聲值L≤85 dB評價為合格，可以不去區(qū)別其噪聲的級別；當 Pun＞27101.3時，L≤LA評為 A 級，LA＜L≤LB評為 B 級，LB＜L≤LC評為C級，L＞LC評為D級。

4）水泵主軸受力分析

水泵的軸用來傳遞扭矩，驅(qū)動葉輪旋轉(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)矩會減小。

5）水泵軸承壽命分析。

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

式中：Lh─額定壽命，h； n─水泵的轉(zhuǎn)速； c─額定動負荷；p─當量動負荷；ε─壽命系數(shù)。

式（9）表明：水泵提速后，軸承的額定壽命會變大。

6）水泵的密封裝置

為了保證水泵的正常工作，應防止液體外漏和內(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械密封。機械密封的泄漏量極小，壽命長，對軸的摩擦力小，功率損失小，耐振動性好。因此，提速的水泵應選用機械密封。

2 提速實例設計

某鋼廠高爐用應急柴油機水泵機組要求流量為970 m3/h，揚程為125 m，要求選用美國康明斯柴油機。

按傳統(tǒng)設計方法，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，配套柴油機為QSK19-G2,533 kW/1500 rpm。

現(xiàn)采用水泵提速設計方案，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，配套柴油機為QSX15-G9，507 kW/1800 rpm。

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

通過試驗表明，水泵的振動和噪聲雖然有所加大，但仍然滿足標準要求；柴油機的振動也滿足國家標準[5]要求。

3 結(jié)束語

應急柴油機水泵機組提速研究和試驗結(jié)果表明，應急柴油機水泵機組的提速在確保機組性能和滿足用戶要求的前提下，優(yōu)化了機組配套設計，降低了主要外購件的采購成本。

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[1]七一二研究所企業(yè)標準. Q/712J43-2003應急/消防柴油機水泵機組. 2003年1月.

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

[3]機械部標準. JB/T8097-1999泵的振動測量與評價方法. 1999年.

[4]機械部標準.JB/T8098-1999泵的噪聲測量與評價方法. 1999年.

[5]國家標準.GB/T10397-2003中小功率柴油機 振動評級. 2003年11月.