低比速离心式消防泵优化研究.pdf

1、 年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:基金项目:江苏省自然科学基金(编号:B K )作者简介:刘洁琼(),女,硕士,工程师,主要从事离心泵设计及优化研究.低低比比速速离离心心式式消消防防泵泵优优化化研研究究刘洁琼,吕忠斌,高 超,尤保健,马凌凌,王非凡(上海凯泉泵业(集团)有限公司,上海 )摘要:为研究叶轮几何参数对低比速离心式消防泵轴功率的影响,利用设计软件C F t u r b o,采用堵塞叶轮部分流道和降低叶轮出口直径相结合的设计方法,对某型低比速离心式消防泵进行了优化,并

2、进行了试验验证.结果表明:堵塞叶轮部分流道时,叶片加厚适合采用从骨线向两边加厚的方式;采用堵塞叶轮部分流道和降低叶轮出口直径相结合的方法,可以在保证低比速离心式消防泵性能的前提下,有效降低最大轴功率,在全流量范围内实现无过载.研究结果可为低比速离心式消防泵的无过载优化提供参考.关键词:消防泵;优化;轴功率;堵塞叶轮流道;叶轮出口直径中图分类号:TH 文献标识码:A文章编号:()O p t i m i z a t i o nR e s e a r c ho fL o wS p e c i f i c S p e e dC e n t r i f u g a lF i r eP u m pL i

3、uJ i e q i o n g,L Z h o n g b i n,G a oC h a o,Y o uB a o j i a n,M aL i n g l i n g,W a n gF e i f a n(S h a n g h a iK a i q u a nP u m p(G r o u p)C o,L t d,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f i

4、 m p e l l e ro ns h a f tp o w e ro f l o ws p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a lf i r ep u m p,s o f t w a r eC F t u r b ow a su s e dt od e s i g ni m p e l l e r sw h i c hw e r ed e s i g n e db yc l o g g i n gp a r t o f i m p e l l e r p a s s a g e s a n d r e d u c i n gD Al o ws

5、p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a l f i r ep u m pw a ss e l e c t e da s t h er e s e a r c ho b j e c ta n do p t i m i z e d T h er e s u l t sw e r ep r o v e db ye x p e r i m e n t T h er e s u l t ss h o wt h a t f r o mc e n t e r l i n eo f b l a d ep r o f i l e t ob o t hs i d e

6、s i s s u i t a b l e t o t h i c k e n i n gb l a d e B ym e a n so f c l o g g i n gp a r t o f i m p e l l e rp a s s a g e s i nc o m b i n a t i o nw i t hr e d u c i n gD,t h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo f l o ws p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a l f i r ep u m pc a nb e e

7、n s u r e d,a n d t h em a x i m u ms h a f t p o w e r c a nb e e f f e c t i v e l y r e d u c e d t oa c h i e v e t h en o no v e r l o a dp e r f o r m a n c e I tc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho f l o ws p e c i f i c s p e e dc e n t r i f

8、u g a l f i r ep u m p K e yw o r d s:f i r ep u m p;o p t i m i z a t i o n;s h a f tp o w e r;c l o g g e d i m p e l l e rp a s s a g e;i m p e l l e ro u t l e td i a m e t e r 引言越来越多的高层建筑对消防安全提出了挑战,也对消防泵的性能提出了更高的要求.高扬程低比速消防泵的需求随之增加.低比速离心式消防泵具有低比速离心泵的轴功率特性,即轴功率随流量的增加而急剧上升,在大流量工况运行时极易产生过载;同时,也需要兼

9、顾消防泵的性能指标,在 倍额定流量工况下扬程不能低于额定扬程的 倍.因此,为降低大流量工况区的功率、防止过载,必须采取措施大幅度降低大流量工况区的扬程,但是必须保证 倍额定流量工况下扬程大于 倍额定扬程.这对低比速离心式消防泵水力设计提出了很高的要求.目前低比速离心泵为了提高性能,多采用加大流量法,增加过流 能力,减小水 力损失.杨秀鑫等采用加大流量法和无过载设计法,降低了低比速车用消防泵的压力脉动振幅;王洋等采用改变叶轮参数和堵塞叶轮流道相结合的方法,实现了低比速离心泵的无过载.此外,施卫东等采取增加短叶片和增大喉部面积等措施,有效降低消防泵内刘洁琼,等:低比速离心式消防泵优化研究绿色创新研

10、究:工程与技术的轴向漩涡.黄志辉等 采用正交试验方法,研究得出叶片数和包角对大流量消防泵的效率影响较大.刘建瑞等 对多级消防泵进行分析,研究表明泵体隔舌是造成损失的主要因素.采用加大流量法,在提高低比速离心泵效率的同时,大流量工况区的扬程也会随之迅速升高,从而导致轴功率明显升高,虽然可以实现无过载,但是电机额定功率需要随之升档,以满足实际需求.这必然会增加整泵的重量和占地面积,不符合消防泵体积小、重量轻、易移动的特点.因此,本文结合前人研究成果,提出一种新的设计方法,对低比速离心式消防泵进行优化,在保证性能的前提下,有效降低最大轴功率,在全流量范围内实现无过载,为低比速离心式消防泵的无过载优化

11、研究提供参考.设计思路 降低机械损失泵内的损失主要有机械损失、容积损失和水力损失.对低比速离心泵来说,机械损失在各类损失中的占比较大.机械损失主要是指圆盘摩擦损失,与叶轮出口直径的次方成正比,且比转速越低,圆盘摩擦损失就越大.因此,要提高低比速离心泵的效率,就必须减小叶轮圆盘摩擦损失,降低叶轮出口直径.叶轮出口直径的降低,必然会带来扬程的降低.所以,降低叶轮出口直径的同时,必须结合叶轮其他参数,来满足扬程的设计要求.堵塞叶轮流道根据无过载设计理论,任一台离心泵的由下式预估:pm a xmKu Dbht a n()式()中:为液体密度,k g/m;m为泵机械效率,单位;K为修正系数;u为叶片出口

12、圆周速度,单位m/s;D为叶轮外径,单位mm;b为叶片出口宽度,单位mm;为叶片出口排挤系数;h为斯托道拉滑移系数;为叶片出口安放角,单位.由式()可得:当增大时,pm a x随之增大,所以为获得较小的,应在合理范围内尽可能取较小的.的减小可以通过从叶片进口到出口均匀加厚以堵塞叶轮部分流道来实现.越小时,叶片越厚、排挤越大,扬程曲线越陡.堵塞叶轮流道的实质是使叶轮过流面积减小,而叶轮过流面积的减小,可以减小流量工况下叶轮内流动的水力损失,从而提高小流量工况区的扬程.如果叶轮流道的堵塞量选择合适,额定扬程也能随之提高.因此,本文以某型低比速离心式消防泵为研究对象,提出一种堵塞叶轮部分流道和降低叶

13、轮出口直径相结合的设计方法,并选择合适的堵塞量,希望在保证性能的前提下,有效降低最大轴功率,在全流量范围内实现无过载.设计方案 方案设计低比速离心式消防泵主要设计参数为:额定流量Q m/h,额定扬程HQ m,转速n r/m i n,功率P kW.设计要求为:Q工况点扬程H Q HQ,最大轴功率值Pm a x kW.按照无过载理论设计,得出号叶轮的结构参数:Z,D mm,b mm,叶轮流道无堵塞.其他叶轮在号叶轮参数的基础上修改得出,各叶轮参数对比如表所示.表各方案叶轮参数对比参数号叶轮号叶轮号叶轮号叶轮号叶轮号叶轮D/mm Z堵塞量/加厚方式/向两边加厚从工作面向背面加厚向两边加厚向两边加厚向

14、两边加厚表中,叶轮部分流道堵塞量定义为:(堵塞前两叶片间流道有效出口面积堵塞后两叶片间流道有效出口面积)/堵塞前两叶片间流道有效出口面积.号叶轮在号叶轮的基础上堵塞了部分流道,堵塞量是号叶轮出口面积的,叶片从骨线向两边加厚;号叶轮的堵塞量与号叶轮相同,叶片从工作面向背面加厚;号叶轮和号叶轮的叶片都是从骨线向两边加厚,堵塞量分别是号叶轮出口面积的 和;号叶轮在号叶轮的基础上减小了叶轮出口直径.通过对个叶轮的计算比较,分析各参数对低比速离心式消防泵性能的影响.计算模型采用C F t u r b o软件对各方案叶片造型,如图所示.年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e

15、nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期图模型建模各叶轮水体采用适应性强的四面体非结构化网格进行划分,网格质量均在 以上.当网格数在 万及以上时,额定效率偏差在 以内.综合考虑计算精度和成本,各叶轮水体采用相同的网格尺度,网格数均在 万左右.计算选 取带有自动 壁面处理 功能的湍流 模型,对流项的离散采用高阶格式.进口边界条件采用压力进口,出口边界条件采用质量流量出口.计算收敛精度设置为.计算结果分析在 Q流量范围内选取个工况点,利用C F X软件对各叶轮方案进行计算分析,各方案预测性能曲线对比如图所示.图性能曲线对比从性能曲线对比图中可以看出:()

16、堵塞了部分流道的号叶轮在流量较小的工况区水力损失减小,小流量工况区及额定点的扬程较号叶轮有所提高;但由于叶片出口排挤增大,大流量工况区的扬程较号叶轮稍有下降;效率曲线基本包络了号叶轮,在大流量工况区效率稍有降低;功率曲线在大流量工况区较号叶轮明显降低,轴功率随流量的增加变化缓慢,初步呈现出无过载趋势.()号叶轮的叶片是从工作面向背面加厚,叶片背面的出口安放角大于号叶轮,使扬程曲线整体高于号叶轮,尤其是大流量工况区的扬程升高比较明显;效率曲线和号叶轮基本一致,大流量工况下的效率有所提高;号叶轮的功率曲线陡峭,功率值整体大于号叶轮,尤其是在大流量工况区的功率随流量的增加而快速升高,不符合无过刘洁琼

17、,等:低比速离心式消防泵优化研究绿色创新研究:工程与技术载要求.因此,叶片加厚适合采用从骨线向两边加厚的方式.()号叶轮的流道堵塞量最大,小流量工况区和额定点的扬程均高于号叶轮,而叶片出口产生的排挤导致了大流量工况区的扬程随着流量的增加陡降,不能满足消防泵 Q工况下的扬程必须大于 倍额定扬程的要求;大流量工况区的效率较号叶轮也有了大幅度下降;功率曲线在大流量工况区出现极值,呈现出明显的无过载特性.()综合比较可以看出,号叶轮的性能最能满足要求.流道堵塞量居于号叶轮和号叶轮中间的号叶轮,小流量工况区和额定点的扬程大于号叶轮,大流量工况区的扬程较号叶轮稍有降低;效率曲线与号叶轮接近,仅在大流量区稍

18、有下降;功率曲线呈现出无过载特性,最大功率值较号叶轮下降明显.()因号叶轮的额定扬程高于设计要求,在号叶轮的基础上减小叶轮出口直径形成号叶轮.号叶轮扬程曲线陡峭,小流量工况区的扬程稍高于号叶轮,额定扬程与号叶轮基本持平,大流量工况区的扬程较号叶轮有所降低;小流量工况区及额定点附近的效率曲线与号叶轮接近,大流量工况区的效率曲线低于号叶轮;功率曲线整体低于号叶轮,且在大流量工况区呈现无过载特性,最大功率值较号叶轮明显降低.由以上分析可以得出,号叶轮方案在保证额定点扬程和效率的同时,有效降低了最大轴功率值,实现了无过载,说明了堵塞叶轮部分流道和降低叶轮出口直径相结合的设计方法的可行性.试验验证为了验

19、证本设计方法的准确性,对号叶轮进行外特性试验,试验台如图所示.图试验台将C F D预测值和测试数据进行对比,如图所示.从性能曲线对比可以看出,C F D预测值和测试数据在整体趋势上基本一致.由外特性试验可得,额定扬程HQ m,Q工况点扬程H Q/HQ ,Pm a x kW kW,满足设计要求,从而验证了设计方法的准确性.图试验结果与计算结果对比 结论通过对某型低比速离心式消防泵进行计算分析和外特性试验,得出以下结论:()采用加厚叶片堵塞叶轮部分流道的方法,可以提升小流量工况区及额定点的扬程,使扬程曲线变得陡峭;并且可以在大流量工况区,使轴功率随流量的增加变化缓慢,有利于实现无过载性能.()叶片

20、加厚适合采用从骨线向两边加厚的方式.当叶片从工作面向背面加厚时,大流量工况区扬程的迅速提升会导致轴功率的快速升高,难以实现无过载性能.()选择合适的叶轮流道堵塞量可以提升额定扬程,并且可以得到较好的性能曲线.当叶轮流道堵塞量过大时,大流量工况区的扬程和效率大幅度下降,影响泵的性能.()采用堵塞叶轮部分流道和降低叶轮出口直径相结合的设计方法,并且选择合适的堵塞量,可以在保证泵性能的同时,有效降低最大轴功率值,实现无过载特性.本研究为低比速离心式消防泵的功率优化提供了参考,对保证消防系统的稳定运行具有重要意义.参考文献:杨秀鑫,宋文武,魏立超,等高速消防泵的设计及分析J排灌机械工程学报,():王洋

21、,刘洁琼,何文俊无过载离心泵结构参数优化设计J农业工程学报,():(下转第 页)年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期离出的化学成分主要有甾体化合物、萜类化合物、黄酮类化合物和呋喃类化合物等,并且桑黄和桦褐孔菌同属多孔菌科,首次从桦褐孔菌分离出烟碱酮.化合物 目前仅在合成产物中出现,属于新天然产物.综上表明,桦褐孔菌含有结构多样的化学成分,为进一步研究和开发利用桦褐孔菌提供了一定的科学依据.参考文献:黄年来俄罗斯神秘的民间药用真菌 桦褐孔菌J中国食用菌,():T a j i S,

22、Y a m a d aT,W a d aS,e ta l L a n o s t a n et y p et r i t e r p e n o i d s f r o mt h es c l e r o t i ao fI n o n o t u so b l i q u u sp o s s e s s i n ga n t i t u m o rp r o m o t i n ga c t i v i t yJE u r o p e a nJ o u r n a lo f M e d i c i n a lC h e m i s t r y,():王立波,孙东植,钟秀宏,等桦褐孔菌对肺癌

23、细胞抗增殖和诱导凋亡观察J中国食用菌,():梁丽雅,张泽生,王玉本,等桦褐孔菌抗氧化提取物体内抗氧化作用研究J食品科技,():张旭,赵芬琴,韩光,等桦褐孔菌的化学成分及抗炎活性J天然产物研究与开发,():孟祥敏,王辉桦褐孔菌化学成分及人工培育研究进展J中国民族民间医药,():麦勤勤桦褐孔菌的活性成分研究D开封:河南大学,金银萍,张国刚,郑洪婷,等丁座草的化学成分研究J中国药物化学杂志,():伊哲,张琦,黎思露,等引种亚麻叶白千层三萜类化学成分研究J中南药学,():A n d r eCM,L a r s e nL,B u r g e s sEJ,e t a l U n u s u a l i m

24、m u n o m o d u l a t o r yt r i t e r p e n e c a f f e a t e s i nt h e s k i n so f r u s s e t e dv a r i e t i e so f a p p l e sa n dp e a r sJ J o u r n a lo fA g r i c u l t u r a la n dF o o dC h e m i s t r y,():郭华,刘吉开辐裂锈革菌化学成分研究J鞍山师范学院学报,():L e eW Y,P a r kYK,A h nJK,e t a l C y t o t o x

25、 i c a c t i v i t yo f e r g o s t a,(),t e t r a e n o n e f r o mt h e s c l e r o t i ao fP o l y p o r u su m b e l l a t u sJ B u l l e t i no f t h eK o r e a nC h e m i c a l S o c i e t y,():J o v a lE,K r o e g e rP,T o w e r sN H y d r o q u i n o n e:t h e t o x i c c o m p o u n do fA g

26、 a r i c u sh o n d e n s i sJ P l a n t aM e d i c a,():吴泽华,程文明,张致勇,等桦褐孔菌乙酸乙酯部位化学成分及体外抗肿瘤活性研究J安徽医科大学学报,():闫国卿中药桑黄和鼠妇化学成分 研究D合肥:安徽大学,B r a n d tEV,F e r r e i r aD,R o u xDGM e t a b o l i t e s f r o mt h ep u r p l eh e a r t w o o do fm i m o s o i d e a e P a r tA c a c i ac r o m b e iC TWh i t

27、 e:s t r u c t u r ea n dp a r t i a l s y n t h e s i so f c r o m b e n i n,an a t u r a ls p i r o p e l t o g y n o i dJ J o u r n a lo ft h eC h e m i c a lS o c i e t y,P e r k i nT r a n s a c t i o n s,:邓旭坤,余惠凡,刘钊,等绵萆薢化学成分研究()J中南民族大学学报(自然科学版),():孙志国,马延蕾,唐进英,等长序三宝木枝叶中化学成分研究J广东化工,():陈丽,康敏,邓小宽,

28、等仙茅化学成分的研究J四川大学学报(自然科学版),()万仲贤,吴建国,吴飞,等白花鬼针草化学成分研究J世界中医药,():刘布鸣,陈荣光,蔡全玲漆大姑化学成分的初步研究J广西中医药,():罗应,申海艳,张敏,等鸦胆子药渣的化学成分研究J热带亚热带植物学报,():郑涛,晏永明,徐福荣,等潞党参化学成分研究J天然产物研究与开发,()魏艳梅桦褐孔菌中化合物的分离鉴定及其部分生物活性初探D大庆:黑龙江八一农垦大学,王旭,焦月华,郑秀茜,等桑黄化学成分及药理作用的研究进展J化学工程师,():(上接第 页)袁寿其低比速离心泵理论与设计M北京:机械工业出版社,:袁寿其,施卫东,刘厚林,等泵理论与技术M北京:机

29、械工业出版社,:张伟,余运超,陈红勋离心泵叶轮非设计工况下内部湍流流场的模拟J排灌机械工程学报,():关醒 凡现代泵 理论与设计M北京:中 国 宇 航 出 版 社,:A n d e r s o nH H T h e a r e a r a t i o s y s t e mJW o r l dP u m p s,():施卫东,张德胜,陆伟刚,等低比速离心式消防泵的设计与试验研究J中国机械工程,():芦鑫离心式消防泵水力优化及试验测量D镇江:江苏大学,:黄志辉,邹晔,魏昌洲,等基于正交试验及C F D的消防泵叶轮优 化 设 计 J排 灌 机 械 工 程 学 报,():王玥,芦鑫,王凯,等离心式消

30、防泵内流特性J排灌机械工程学报,():刘建瑞,张立胜,向宏杰,等 S X B型消防用多级泵全流场C F D数值模拟J排灌机械工程学报,():严敬无过载叶轮几何参数的计算J农业机械学报,():A n d e r s o nH HM i n ep u m p s J J o u r n a lo fM i n i n gS o c i e t y,()丁剑新型消防泵的多目标优化设计D镇江:江苏大学,:张德胜,施卫东,陆伟刚,等离心式消防泵性能影响因素及内流场分析J排灌机械工程学报,():陆润,于文华基于C F X的森林消防泵内部流场模拟分析J林业机械与木工设备,():周勃消防泵的特点及技术改进J化工设计,():杨秀鑫消防车用高速离心泵的水力特性研究D成都:西华大学,:O hC h a n g s o o,K i mS e o y o n g,K o n g H a s u n g D e v e l o p m e n to fs e i s m i cd e s i g ns o f t w a r e f o r f i r e f i g h t i n gp u m ps y s t e m sJ A d v a n c e i nE n g i n e e r i n gS o f t w a r e,:侯德元高扬程森林消防泵的理论设计与试验J消防科学与技术,():