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口環間隙對立式單級消防泵組性能影響的試驗研究
來源： 發布日期：2019-05-27 14:05:53 作者：
立式單級消防泵組作為建筑物中消火栓系統和噴淋系統的重要設備，擔負著消防管網的供水任務。消防泵的口環是葉輪與泵殼之間的重要部件，口環間隙的大小將直接影響水泵的整體性能。口環間隙過小會導致磨損嚴重，零部件壽命減短；口環間隙過大導致容積效率降低，影響水泵性能。
目前，國內外學者對其進行了廣泛的研究。楊宇宸等人運用數值模擬的方法探究了不同葉輪口環間隙寬度下離心泵的泄漏量與性能的變化情況。DaqiqShirazi,M 等人研究了低比轉速離心泵口環間隙對泵內流場及泵效率的影響，發現當口環間隙增大三倍以上時，泵整體效率的降低顯著減小。Haddara M R 對不規則形狀的口環進行了研究，得到了間隙內流體的壓力、軸向力的分布規律。但在 GB6245-2006《消防泵》中消防泵組的性能測試方法中，消防泵的性能檢測是在 1m 吸深的前提下進行的，國內外在這方面的試驗研究相對較少。因此，筆者基于學者們的研究基礎，針對消防用立式單機離心泵組展開研究，設計相應的試驗管路，對三種口環間隙下的離心泵的性能進行分析。
1 試驗條件與試驗方法
1.1 試驗條件
根據國家標準 GB6245-2006《消防泵》中相關條款規定的試驗條件，在 1m 吸深的前提下對立式單級消防泵組的性能進行測試，測試管路為 DN100 的不銹鋼管路。主要試驗儀器為：精度為 0.075% 的壓力傳感器測量，精度為 0.5 級的DN100 電磁流量計，誤差范圍為 ±0.1% 感應線圈傳感器以及0.1 級電流互感器等。
1.2 試驗方法
試驗數據采集及處理。使用 DN100 的管徑對不同口環間隙下的樣機泵進行性能測試，通過調節出口閥門將消防泵組從 0 流量點至 1.5 倍額定流量點依次進行測量，共取13 個測量點。每個流量點應有一定時間的間隔，并應同時測量流量、壓力、轉速及電流和電壓。本文采用的樣機型號為 XBD6.0/20G-L 的立式單級消防泵組進行，其額定轉速為2900r/min，電機功率為 22kW，電機效率 89%。通過改變口環的外徑大小，使樣機實現三種不同大小的口環間隙，分別為 0.25mm、0.40mm、0.55mm，進行相應的性能試驗。
2 試驗結果與分析
2.1 口環間隙對立式單級消防泵組揚程的影響
根據試驗所得數據，經由公式計算后繪制不同口環間隙下揚程隨流量變化規律曲線，如圖 1所示。隨口環間隙的增大，水泵揚程逐漸降低，整體曲線呈下降的趨勢。在出口閥門開度不大的小流量點時，揚程僅有小幅度降低。隨著閥門開度的不斷增大，流量不斷增加，揚程的變化也更加劇烈，在口環間隙為 0.55mm 時揚程降低尤為明顯?？诃h間隙的增大對水泵揚程產生負面影響，口環間隙越大，高速運動的流體會進入間隙的位置，從而產生大量的能量損失，導致揚程下降。在 1.5 倍額定流量點時，口環間隙為 0.55mm 下的揚程變化程度最大，曲線出現陡降，說明此時水泵即將發生汽蝕現象。
2.2 口環間隙對立式單級消防泵組效率的影響
圖 2 為不同口環間隙下揚程隨流量變化曲線，從中可以發現，隨著口環間隙的增大，消防泵的效率將減小。在小于額定流量點之前，泵的效率變化不明顯。隨著流量的不斷增大，口環間隙的大小對效率的影響逐漸增大。當口環間隙為 0.25mm 時，泵效率曲線沒有出現明顯拐點?？诃h間隙越大，泵的效率曲線拐點越明顯。同時，從曲線上可以看出，在 1.5 倍額定流量點時，口環間隙的大小對效率的影響最大，在這種極限流量點時，水泵本身是處于高能耗狀態，當口環間隙過大時，由于容積損失加大，將對水泵的性能產生嚴重的影響。
2.3 口環間隙對立式單級消防泵組軸功率的影響
從圖 3 不同口環間隙下軸功率隨流量變化曲線中可以發現，隨著口環間隙的增大，軸功率整體呈現增大趨勢。在流量點 15L/s 之前，不同口環間隙對軸功率的影響較小，軸功率曲線幾乎重合。隨著流量的增大，口環間隙的影響逐漸放大。這由于大流量點時，葉輪出口處大量高壓的流體會通過口環間隙進入進口低壓區，泄漏量增加導致水泵電機需要做更多的功來滿足此時的流量、揚程。在 1.5 倍額定流量點時，可以在口環間隙 0.55mm 的曲線上看到軸功率快速增加，此時的水泵電機處于超功率運行狀態，在這種狀態下長時間運轉將對電機產生破壞性的影響。
3 結語
在 DN100 的測試管路下對立式單級消防泵組的性能進行測試，以三種口環間隙 0.25mm、0.40mm、0.55mm 為變量，探討其對水泵揚程、效率、軸功率的影響。通過試驗數據處理及分析，得到以下結論。（1）口環間隙對泵揚程的影響，隨流量點的增大，壓力梯度減小，揚程變化愈加明顯。（2）隨著口環間隙的增大，消防泵的效率將減小，口環間隙越大，泵的效率曲線拐點越明顯，容積損失越大。（3）小流量的下口環間隙對軸功率影響不大，在 1.5 倍額定流量點時，口環間隙過大，將導致水泵電機超功率運行，影響消防泵的壽命。（4）消防泵在 1.5 倍額定流量點時，水泵性能受口環間隙的影響最大。
目前，國內外學者對其進行了廣泛的研究。楊宇宸等人運用數值模擬的方法探究了不同葉輪口環間隙寬度下離心泵的泄漏量與性能的變化情況。DaqiqShirazi,M 等人研究了低比轉速離心泵口環間隙對泵內流場及泵效率的影響，發現當口環間隙增大三倍以上時，泵整體效率的降低顯著減小。Haddara M R 對不規則形狀的口環進行了研究，得到了間隙內流體的壓力、軸向力的分布規律。但在 GB6245-2006《消防泵》中消防泵組的性能測試方法中，消防泵的性能檢測是在 1m 吸深的前提下進行的，國內外在這方面的試驗研究相對較少。因此，筆者基于學者們的研究基礎，針對消防用立式單機離心泵組展開研究，設計相應的試驗管路，對三種口環間隙下的離心泵的性能進行分析。
1 試驗條件與試驗方法
1.1 試驗條件
根據國家標準 GB6245-2006《消防泵》中相關條款規定的試驗條件，在 1m 吸深的前提下對立式單級消防泵組的性能進行測試，測試管路為 DN100 的不銹鋼管路。主要試驗儀器為：精度為 0.075% 的壓力傳感器測量，精度為 0.5 級的DN100 電磁流量計，誤差范圍為 ±0.1% 感應線圈傳感器以及0.1 級電流互感器等。
1.2 試驗方法
試驗數據采集及處理。使用 DN100 的管徑對不同口環間隙下的樣機泵進行性能測試，通過調節出口閥門將消防泵組從 0 流量點至 1.5 倍額定流量點依次進行測量，共取13 個測量點。每個流量點應有一定時間的間隔，并應同時測量流量、壓力、轉速及電流和電壓。本文采用的樣機型號為 XBD6.0/20G-L 的立式單級消防泵組進行，其額定轉速為2900r/min，電機功率為 22kW，電機效率 89%。通過改變口環的外徑大小，使樣機實現三種不同大小的口環間隙，分別為 0.25mm、0.40mm、0.55mm，進行相應的性能試驗。
2 試驗結果與分析
2.1 口環間隙對立式單級消防泵組揚程的影響
根據試驗所得數據，經由公式計算后繪制不同口環間隙下揚程隨流量變化規律曲線，如圖 1所示。隨口環間隙的增大，水泵揚程逐漸降低，整體曲線呈下降的趨勢。在出口閥門開度不大的小流量點時，揚程僅有小幅度降低。隨著閥門開度的不斷增大，流量不斷增加，揚程的變化也更加劇烈，在口環間隙為 0.55mm 時揚程降低尤為明顯?？诃h間隙的增大對水泵揚程產生負面影響，口環間隙越大，高速運動的流體會進入間隙的位置，從而產生大量的能量損失，導致揚程下降。在 1.5 倍額定流量點時，口環間隙為 0.55mm 下的揚程變化程度最大，曲線出現陡降，說明此時水泵即將發生汽蝕現象。
2.2 口環間隙對立式單級消防泵組效率的影響
圖 2 為不同口環間隙下揚程隨流量變化曲線，從中可以發現，隨著口環間隙的增大，消防泵的效率將減小。在小于額定流量點之前，泵的效率變化不明顯。隨著流量的不斷增大，口環間隙的大小對效率的影響逐漸增大。當口環間隙為 0.25mm 時，泵效率曲線沒有出現明顯拐點?？诃h間隙越大，泵的效率曲線拐點越明顯。同時，從曲線上可以看出，在 1.5 倍額定流量點時，口環間隙的大小對效率的影響最大，在這種極限流量點時，水泵本身是處于高能耗狀態，當口環間隙過大時，由于容積損失加大，將對水泵的性能產生嚴重的影響。
2.3 口環間隙對立式單級消防泵組軸功率的影響
從圖 3 不同口環間隙下軸功率隨流量變化曲線中可以發現，隨著口環間隙的增大，軸功率整體呈現增大趨勢。在流量點 15L/s 之前，不同口環間隙對軸功率的影響較小，軸功率曲線幾乎重合。隨著流量的增大，口環間隙的影響逐漸放大。這由于大流量點時，葉輪出口處大量高壓的流體會通過口環間隙進入進口低壓區，泄漏量增加導致水泵電機需要做更多的功來滿足此時的流量、揚程。在 1.5 倍額定流量點時，可以在口環間隙 0.55mm 的曲線上看到軸功率快速增加，此時的水泵電機處于超功率運行狀態，在這種狀態下長時間運轉將對電機產生破壞性的影響。
3 結語
在 DN100 的測試管路下對立式單級消防泵組的性能進行測試，以三種口環間隙 0.25mm、0.40mm、0.55mm 為變量，探討其對水泵揚程、效率、軸功率的影響。通過試驗數據處理及分析，得到以下結論。（1）口環間隙對泵揚程的影響，隨流量點的增大，壓力梯度減小，揚程變化愈加明顯。（2）隨著口環間隙的增大，消防泵的效率將減小，口環間隙越大，泵的效率曲線拐點越明顯，容積損失越大。（3）小流量的下口環間隙對軸功率影響不大，在 1.5 倍額定流量點時，口環間隙過大，將導致水泵電機超功率運行，影響消防泵的壽命。（4）消防泵在 1.5 倍額定流量點時，水泵性能受口環間隙的影響最大。
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