船用泵若干技术问题研究

吴 仁 荣

（704研究所，上海 200030）

0 引 言

船用泵是一类流体机械，它涉及多方面和多学科的理论和专业知识。根据长期技术工作中的经验和体会，针对船用离心泵在设计、制造和使用过程中所产生的若干工程技术问题作一探讨和建议。

1 确定船用泵的需用技术参数

船用泵的需用技术参数，就是泵的实际使用参数，这些参数将影响到船用泵产品的设计质量和使用质量。

通常泵的需用技术参数指的是泵的流量Q、扬程H汽蚀余量NPSH。

出于对用泵系统功能或工况参数计算精度的考虑，以及对用泵系统运行工况变化和安全性的考虑，经常会在泵的实际使用参数上添加一定的余量，也即是将其需用流量Q和扬程H值增大一个相应的百分比，有时也会将泵的汽蚀余量NPSH降低一个相应的数值。这样，用户在向供方提交泵的设计计算参数时，就在泵的需用性能参数值上人为地加大了某种增量。而泵的设计者出于某种考虑，在开展设计计算之前再对用户所提出的参数值给予某种增量，从而使泵的设计计算参数值再次被人为地加大。

为此，建议船用泵用户或用泵系统的设计者在确定泵的需用参数时，除了应首先对泵的输入条件和输出参数进行比较准确的计算外，在向设计或供方提出泵的需要参数时应以此计算值为基础。如果出于某种考虑或需要而将此计算值适当地增大时，那么不要将流量Q值和扬程H值同时增大。一般情况下，对于流量Q值较小而扬程H值较高的泵（即低比转速泵）只将H值适量提高，而对流量Q值较大而扬程H值较低的泵（即中高比转速泵）只将Q值适量加大。

船用泵汽蚀余量NPSH值是表征其综合技术性能优劣的一个特性参数，对设计和供方来说是一个十分重要的设计计算参数，而且对用户也是一个十分重要的使用参数。一般认为其数值越小，表示泵的汽蚀性能较好，数值越大则汽蚀性能较差。

2 确定船用泵的设计计算参数

船用泵的供方在收到用户的船用泵需用性能参数之后确定泵的设计计算参数。由于泵的内部结构以及与其相关要素的需要和影响，在一般情况下，新泵的设计计算参数与用户所提出的泵的需用参数是会存在某些差异的。

对船用离心泵而言，通常的设计方法是将用户所提出的泵的需用性能参数直接或略加修改后利用计算机和相关的设计计算软件绘制出泵主要过流零件的型线；或者利用所掌握的或外购的水力模型采用常规的相似换算法获取设计泵过流零件的型线；或者根据所拥有的相关资料及自身的工作经验采用类如速度系数法等方法自行绘制过流零件的型线。当然这些都只是新泵设计计算工作的基础。在确定泵的输入计算参数时，应考虑到设计泵的工作状态、结构特征、工艺需求以及使用条件并借助自己的工作经验。这样才能理解用户对泵的需用参数与泵的设计计算输入参数之间的差异，才能够正确地确定泵设计计算参数。

由于对船用泵汽蚀性能参数NPSH的了解不充分，因而在设计计算过程中忽视对气蚀性能要求，以致出现各种不同的问题，如在泵的汽蚀性能相似的情况下，将两相似泵的汽蚀余量值认定为相等，或者是将同一台泵在转速不同情况下的汽蚀余量值认为相同等。

船用泵的转速n值是设计计算中不可缺少的一个基本参数，但在设计计算中经常发生设计泵额定转速取值不当。如某船用泵系列产品，取同一个额定转速值 2900r/min或者 2950r/min。由于系列产品中不同的泵有不同的轴功率，需要配用不同功率的电动机。但不同额定功率值的配用电机的额定转速值并不相同，就使部分系列泵产品的额定转速值与其驱动电机的额定转速值不同，从而在实船运行中性能参数出现某种偏差。

如有一船用卧式离心泵系列产品，取额定转速为2950r/min。配用额定功率为2.2kW的船用交流电机，电机的额定转速为 2840r/min。此种泵在装船后的实际运行过程中，由于配用电机的实际转速低于2950r/min，因此泵的流量Q和扬程H都会比要求值低。流量减少约3.7%，扬程降低约7.3%。再如某一船用离心泵的额定转速为 2900r/min，配用了额定功率为30kW的船用交流电机，电机的额定转速为 2955r/min。由于电机的实际转速高于2900r/min，泵的流量和扬程值都会高于需要值。实际流量偏高大约1.9%，扬程偏高约3.6%。

3 控制泵的设计参数和结构参数

船用泵的可靠性是通过设计、制造和使用等方面来保证的，因此泵的加工、工艺、装配和检验等生产流程是保证泵的性能参数和使用寿命的关键。由于对泵的设计参数和结构参数控制不当，常会影响到泵的综合技术性能。

过流零件关键过流尺寸的铸造误差是泵生产制造过程的主要误差之一。叶轮叶片出口宽度值的超差和沿圆周宽度值的不等性以及叶片沿圆周的不均匀分布是最常见的铸造偏差。这些误差都会对泵的性能参数和运行质量产生不利的影响。此外，叶轮叶片进口边的铸造质量和螺旋形压水室的铸造质量都是影响泵的水力性能的一种因素。

机械加工零件的尺寸精度和表面粗糙度是根据泵的结构特点和装配要求而确定的，但由于检验人员的忽视，形位公差超标引起泵的装配和运行故障时有发生。值得提出的是，对于多级段的长轴泵，除了要对每个装配零件的机械加工尺寸精度进行合格性检验之外，还应在泵进行总装配之前对尺寸精度进行尺寸链的计算，必要时可增补调整环零件来调整和消除尺寸链的计算偏差。

船用泵加工制造和装配流程中的中间试验和检验，对于保证泵的装配和运行质量也是十分重要的。这些试验包括叶轮和转子的静平衡和动平衡试验、承压零部件的水压强度试验和整泵的水密性试验。中间试验方法和检验标准，可见相应的产品标准和说明书。根据多年工作实践，认为有必要提高试验和检验要求。比如，船用离心泵的泵体和泵盖大多为铸铜件，几何形状比较复杂，壁厚值的差异较大，进行水压强度试验时保压时间不够，所以会将水压试验的保压时间由5min提高至10min。另外，对于某些船用泵的叶轮和转子提出静平衡和动平衡的要求。为了降低泵的运行振动和噪声，将平衡精度由G6.3级提高到G3.5级，对于用汽轮机驱动的高速船用泵，甚至取用更高的平衡精度。

值得指出的是，泵的装配过程是保证泵设计参数和结构参数的重要阶段。除了在泵的设计图纸上标注相关的技术参数和要求外，泵的装配质量还取决于装配工艺的要求和装配人员的技术水平。比如轴向间隙值的测量和保证，圆周间隙的测量和调整，滚动轴承的装配，润滑脂注入量的控制，轴封的装配和检查，泵转子轴心线水平度的调整以及泵与电机同心度的检查等。

4 控制和调整泵的正常运行工况

按照说明书上规定的步骤来操控泵的使用状态，能够保证船用泵本身和用泵系统工作状态的稳定性和安全性。然而泵在使用过程中常常会出现某些不规范的操控，即在不关闭出口管道阀门的情况下起动泵和突然停车，或未能正确地利用出口管道阀门的开度来控制和调节泵的运行工况。

对于船用离心泵和混流泵等动力泵而言，轴功率曲线是随着泵流量的增大而上升的，在泵的流量为零即泵出口管道上阀门处于关闭状态时的轴功率值为最小，此时泵的驱动电机的功率值也为最小。当出口管道阀门具有一定开度甚至是全开的情况下起动泵，此时泵的流量就会在短时间内达到某个量值，泵的驱动电机的功率也会急剧增大到某个量值。由于电机的起动电流是正常工作电流的高倍值，因此会出现过载电流导致电机烧损。

在出口管道阀门具有某种开度甚至是全开的情况下使泵突然停车，会出现破坏性的故障。对于船用离心泵和混流泵等动力泵而言，在正常运行状态下，其出口压力总是要高于进口压力。如果此时电源突然切断，泵的叶轮突然减速直至停止转动，叶轮所产生的压力逐渐降低。当出口管道中的液体压力高于叶轮所产生的压力时，管道中的液体就有可能产生倒流。在出口管道上配置有单向阀的情况下，虽然会阻止叶轮因液体倒流而产生的反转，但会在出口管路上产生某种程度的水锤现象和压力脉动，严重时可能导致机械损伤并造成用泵系统功能失效或破坏。

最常见到的情况是未能正确利用出口管道上的阀门来调节和控制泵的运行工况。其一是在泵的进口没有配置真空表或真空压力表，不能得知泵的进口压力或真空参数，而仅仅依据泵的出口压力表数值来判断和调节其运行工况，其二是虽依据泵的进口和出口测压仪表的数值来判断或调节泵的运行工况，但却没有考虑到泵的实际转速对运行工况参数的影响，使运行工况参数出现偏差。

离心泵的扬程值是其出口压力和进口压力的差或出口压力和进口真空的和。如果只考虑泵的出口压力，那么泵的扬程值在进口压力为真空值时就显得偏低，此时只能通过调小阀门来提升，从而使泵的实际流量减小，如果此时泵的进口压力为正值时，泵的扬程值就显得偏高，采用加大阀门开度来降低扬程会使实际流量增大，有可能造成电机过载或其它故障。

另一种情况是在船用泵的实用输液管道中无法采用仪表测量泵的流量，因此如果在泵的运行过程中又不对其实际转速进行测量，那么在泵的性能特性曲线用于确定其运行工况的三个参数（流量、扬程和转速）中只知道一个扬程式值，就无法准确判定和调控其运行工况。因此，建议采用测量船用泵驱动电机的实时转速和计算来判断和调控泵的运行工况。

首先确定泵的需求工况参数即扬程Hr和转速nr（在产品标牌或说明书上都有标明），而后测量驱动电机的实时转速np。当np值与nf值不同时，可通过调节出口管道上的阀门开度，使泵的扬程的实时值（即泵的出口压力和进口压力之差）Hp达到下述计算值。

如果阀门调节前的Hp值大于计算值，则需调大阀门使其降低。反之如果Hp值小于计算值则需调小阀门。当然如果在阀门调节前的Hp值与计算值比较接近，则无需继续进行调节。

5 从产品样本上选择需要的泵

可以认为，对于如何从船用泵的产品样本上能正确地选到所需要的泵，这不仅对于产品的用户而且对于产品的供应方来说都是十分重要的。由于泵产品样本上的性能参数值只是表明某台泵或某些泵在其所处系列参数中的某个或某些样本点，因此当用户所需要的泵参数与样本上的样本点参数（即额定参数）不相吻合时，往往会根据自己的个人意愿或经验来选择参数相近的泵产品。此时如果因考虑不周而选择了不当的泵，那么就有可能在产品交货或船检验收试验中或者是在实船运行过程中出现问题。

对于每一型船用离心泵产品，都有一个额定性能参数值，但是该参数只表示泵在某个转速条件下性能曲线上的一个工况点，而泵是可以在一个允许的范围内运行的。在一般情况下，这个允许范围是指额定流量的50%～120%，对于特大流量泵，这个范围是额定流量的50%～110%。

由于每一型泵产品可以在不同的性能参数工况下运行，使用户和供应商可以在泵的允许工作范围内先取所需要的性能参数作为选用泵的需用参数，但也可能产生某种相关的问题，特别是在泵的超额定流量范围内选择需用参数工况时，由于泵的驱动电机的配套功率是根据泵在额定工况时的轴功率值来选取的，在一般情况下只有 10%～20%的余量。如果将泵在超额定流量范围内的某个工况点作为选取工况点，那么此时配套电机的功率就有可能出现不足或超载的情况，无法保证泵在允许的流量范围内运行的安全性和稳定性。建议用户或供应方将选用泵的需用性能参数值取在样本产品性能参数值的80%～100%的范围，当配套电机的功率大于产品轴功率的 30%～40%时则可以在样本产品的超额定流量范围内选择需用工况点。