提高消防泵零流量压力的设计方法研究

杨善明

（上海熊猫机械（集团）有限公司，上海 215000）

0 引言

随着国民经济的快速发展，大量诸如火灾等事故频发，对环境、人员安全和财产等造成重大损失。同时也对消防人员的人身安全具有一定威胁[1-2]。据统计，2020年美国共发生了138.85万起火灾事故，约造成除消防员外共3 500名人员死亡，1.52万名人员受伤，直接财产损失更是达到了219亿美元，消防人员平均每23 s就需响应一次火灾事故[3]。而消防泵作为消防供水设备中的关键设备，其可靠性对消防系统在面临火灾时能否发挥应有作用具有重要影响，因此，国家对消防泵的性能等要求也越来越高。

目前，我国经过“中国强制性产品认证”质量体系认证过的消防泵均为离心泵，其根据消防泵的性能曲线覆盖范围以及应用的场合主要可分为立式、卧式、单级与多级消防泵，主要技术指标有扬程、流量等[4-5]。

欧美等发达国家在消防系统及设备的规范性和标准化制定上走在前列。其中，美国消防协会标准NFPA 20在国际上应用最广，也是国际最主流的消防标准[6]。NF⁃PA 20要求消防泵厂家提供消防泵实际测得的性能曲线，曲线通常由关阀点、额定流量点、150%额定流量点等组成[7-8]。消防泵的零流量压力是我国国标提出的几个新的压力概念之一[9]。我国的消防泵标准GB6245-2006的6.4.2.3工况3中规定：零流量压力不高于额定压力的1.4倍[10]；在消防泵标准GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》的5.1.6-4中，对消防泵提出了更加严格的规定：消防水泵流量扬程性能曲线应为无驼峰、无拐点的光滑曲线，且零流量时压力不高于额定压力的1.4倍且不低于额定压力1.2倍，对消防泵的零流量工作压力提出了具体要求[11]。

目前，国内专家学者在如何提高消防泵零流量压力的设计方法研究较少，本文通过CFD数值模拟与工程运用实例相结合，对提高消防泵零流量时最大工作压力的具体方法进行研究，为相关技术人员提供参考。

1 消防泵零流量时工作压力计算

1.1 零流量时工作压力常用计算方法

目前常用零流量下最大工作压力常用以下两种公式进行计算：

斯托道拉（Stodla）公式[12-13]：

式中：σ为斯托道拉滑移系数；π为圆周率；D2为叶轮外径，m；n为转速，r/min；g为重力加速度，m/s2。

斯托道拉（Stodla）修正公式[14]：

式中：ns为比转速；π为圆周率；D为叶轮外径；m，n为转速，r/min；g为重力加速度，m/s2。

根据以上两个公式可以看出，零流量时工作压力H0与比转速ns、叶轮外径D、转速n有关。

叶轮外径计算按叶轮实际出口角β2取值来计算。叶轮出口角越小，叶轮外径越大；叶轮出口角越大，叶轮外径越小。

以上公式通常更适用于普通离心泵，当用于消防泵时计算出的零流量下压力结果精确度往往不高，因此需要借助于计算流体动力学（CFD）数值模拟分析软件，对不同比转速下面消防泵零流量下的压力进行分析。

1.2 CFD数值模拟

零流量下工作压力与比转速关系较大，通过取不同的比转速来进行CFD数值模拟。比转速ns的计算公式为[12-13]：

式中：n为电机转速，r/min；Q为水泵设计流量，m3/s；H为水泵设计扬程，m；i为泵的级数（在此为1）。

分别取比转速ns=60、80、100、120、140、160、180来试验（比转速ns＞180，汽蚀余量比较大，很难满足消防泵1.5倍流量吸深1 m的要求）。额定流量、额定压力保持不变，通过改变叶轮出口角β2来实现。

泵零流量运行时，通常在叶轮密封环处会发生泄漏，具体泄漏量可由容积效率得出，容积效率公式如下所示：

式中：ηv为容积效率；ns为比转速。

泄漏量为泵真实运行时流量的损失。取泄漏量为泵的出口流量，这样模拟分析出来的结果与真实运行零流量下工作压力结果比较接近。

下面通过取不同的比转速，对零流量工作压力进行CFD数值模拟。

2 消防泵有限元模型建立

单级消防泵一般由4部分组成，即对进水段、叶轮、涡壳、出水段，其装配体如图1所示。

图1 消防泵装配体

2.1 网格剖分

对进水段（图2）、叶轮（图3）、涡壳壳（图4）、出水段（图5）进行网格划分。

图2 进水段

图3 叶轮

图4 涡壳

图5 出水段

2.2 边界条件设置

设置泵的出口流量为泄漏量，其他参数按正常条件设置。设置完成后对模型进行数值模拟。图6所示为CFD边界条件设置。

图6 边界条件设置

3 仿真结果

CFD零流量下压力数值模拟结果数值如图7和表1所示。

图7 CFD数值模拟计算结果

表1 CFD零流量下压力数值模拟结果数值

经过大量CFD数值模拟结果分析，零流量下压力H0与额定工作压力p的比值如表2所示。

表2 零流量下压力H0与额定工作压力p的比值

由CFD数值模拟结果可以看出：比转速ns小于100时，很难实现零流量下压力大于额定压力的1.2倍；比转速ns在100～120区间，叶轮出口角需取小于或等于20°，零流量压力才能大于额定压力的1.2倍；比转速ns在120～180之间，满足零流量时压力不高于额定压力的1.4倍且不低于额定压力1.2倍要求。

在实际应用过程中，尽量选比转速ns在100～180之间，即满足零流量压力在额定压力的1.2～1.4倍之间，安装高度又能满足1.5倍额定流量吸深1 m的要求，水泵还能在高效区间内运行（比转速ns在120～210为水泵运行的高效区间）。

以上分析可以看出，泵的比转速决定零流量下的工作压力，通过改变比转速就可以实现消防泵零流量压力在额定压力的1.2～1.4倍。

由比转速公式可知，改变比转速的方法包括：改变泵的转速；改变叶轮单级压力；改变泵的流量。

4 工程运用实例

通常情况下，比转速的改变通过改变转速或改变叶轮的单级压力来实现，而泵的流量一般是固定参数，不对其进行更改。

4.1 改变泵的转速

如原设计参数：额定流量50 L/s，额定出口压力0.47 MPa，额定转速1 450 r/min；比转速ns=66，难以实现零流量时压力不高于额定压力的1.4倍且不低于额定压力1.2倍，通过把转速改成2 900 r/min，额定流量和额定出口压力保持不变，更改后比转速为ns=132，表3、表4为比转速ns更改前后测试性能数据对比。

表3 转速1 450 r/min，比转速n s=66测试数据

表4 转速2 900 r/min，比转速n s=132测试数据

从以上测试数据可以看出。

（1）原比转速ns=66，流量扬程曲线平坦；更改之后比转速ns=132，流量扬程曲线陡峭且1.5倍流量时轴功率小。

（2）原配套电机为45 kW/4，更改后配套电机37 kW/2即可，能够有效节约能源，降低生产成本。

（3）额定压力1.2倍（0.47×1.2=0.564）MPa，额定压力1.4倍（0.47×1.4=0.658）MPa，更改前零流量压力0.50 MPa，0.50 MPa<0.564 MPa，不能满足规范要求；更 改 后 零 流 量 压 力0.58 MPa，0.564 MPa≤0.58 MPa≤0.658 MPa，满足规范零流量时压力不高于额定压力的1.4倍且不低于额定压力1.2倍的要求。

（4）额定流量50 L/s时，更改后比转速ns=132与原比转速ns=66时相比效率提高10%左右。

4.2 改变叶轮单级压力

如原设计参数：额定流量15 L/s，额定压力1.26 MPa，转速2 900 r/min；比转速ns=34，很难实现零流量时压力不高于额定压力的1.4倍且不低于额定压力1.2倍，通过改变单级额定压力，单级额定压力改为0.21 MPa，用6个叶轮串联来实现（0.21×6=1.26 MPa），额定流量和额定压力保持不变，更改后比转速为ns=130，表5、表6所示为比转速ns更改前后测试性能对比。

表5 单级额定压力1.26 MPa，比转速n s=34测试数据

表6 额定压力1.26 MPa（6个叶轮串联，单级额定压力0.21 MPa），比转速n s=130测试数据

从以上测试数据可以看出。

（1）原比转速ns=34，流量扬程曲线平坦，更改之后比转速ns=130，流量扬程曲线陡峭且1.5倍轴功率要小。

（2）原配套电机为45 kW/2，更改后配套电机37 kW/2即可，能够有效节约能源，降低生产成本。

（3）额定压力1.2倍（1.26×1.2=1.512）MPa，额定压力1.4倍（1.26×1.4=1.764）MPa，更改前零流量压力为1.32 MPa，1.32 MPa<1.512 MPa，不能满足规范要求；更改后零流量压力为1.56 MPa，1.512 MPa≤1.56 MPa≤1.764 MPa，满足规范零流量时压力不高于额定压力的1.4倍且不低于额定压力1.2倍的要求。

（4）额定流量15 L/s时，更改后比转速ns=130与原比转速ns=34时相比效率要提高20%左右。

5 结束语

通过对消防泵进行CFD数值模拟以及工程运用实例进行研究分析，得出如下结论。

（1）为满足GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》，零流量时压力不高于额定压力的1.4倍且不低于额定压力1.2倍要求，比转速ns应选在100～180左右。

（2）可以通过改变转速或改变叶轮单级压力来改变比转速，使比转速ns达到100～180左右，但不建议选比转速ns大于180（比转速大于180时，汽蚀余量比较大，消防泵要求1.5倍额定流量吸深1 m）。

（3）比转速ns在120～180属于水泵运行高效率区域，效率高且运行曲线陡峭，可降低配套电机功率，不仅能够节约能源，还能降低生产成本，提高产品的市场竞争力。