消防泵诱导轮的设计及分析

0 引言

当前我国城市化进程快速推进，国内高层建筑及大型场所数量猛增，随之而来的城市消防安全隐患增多。面对建筑群落集中，楼层结构复杂等问题，现有消防安全设施亟需改进，以满足最新消防法律法规的要求[1]。

我国颁布的《消防给水及消火栓系统技术规范》(以下简称规范)要求，建筑消防系统要合理设计及安置。本文从规范要求出发，对消防泵的设计规定进行了总结归纳，具体分为以下3点[2]：

(1)消防泵配套的泵用电驱动器在正常工作时，功率应该达到该消防泵流量扬程曲线的任意点的功率值。

(2)消防泵的流量扬程性能曲线整体连续，不得出现较大落差，当消防泵工作在零流量时，其提供的压力值应位于设计值的120%～140%最佳。

(3)当消防泵的输出流量为设计值的150%时，泵提供的束流出口压力应大于设计值的65%。

我国现役的消防泵产品中，离心消防泵整体呈现出泵扬程较短、空蚀性能弱等不足[3]，严重制约着消防设备的实际性能。因此，本文针对高层建筑日益严峻的消防安全问题，以低比转速高速离心泵为依托，设计一种新型诱导轮。利用无过载设计原理进行诱导轮结构设计，借助ANSYS软件对诱导轮及其所在的流场速度、压力及涡粘性进行仿真分析。

1 流体力学设计

1.1 加大流量理论

为提高消防泵的最高工作效率，提升新型诱导轮结构的合理性，本文采用加大流量设计法，即适当增大诱导轮的设计比转速以及工作流量等参数，最终实现提高配套消防泵工作转速区间的平均效率[4]。

常规车载消防系统的消防泵工作流量范围是108～216 m3/h。本文基于现有的加大流量设计法实例，参考放大流量方程，借助CFD模块预测所设计的消防泵诱导轮性能，求解并优化诱导轮结构参数。

根据理论分析，文献[5]就水泵的原设计流量和比转速等参数采用加大流量法进行设计计算，得出了相对可靠的流量放大系数，即

(1)

式中，Q为放大后流量，Q0 为原设计流量，K1为流量放大系数，ns 为放大后比转速，K2 为比转速放大系数，ns0 为原设计比转速，H 为放大后扬程，K3 为扬程放大系数，H0为设计扬程。

1.2 无过载设计

为保证消防泵工作时，从零扬程状态到关死点扬程范围内不会出现过载现象，避免烧毁电机，设计时采用无过载形式的消防泵。为协调叶片安放角度引起的设计矛盾，参考杨秀鑫等[6]的设计成果，将叶片安放角度设计为锐角形式。当消防泵叶片出口宽度值确定时，能够计算得到最小轴功率下叶片的安放角数值，如式(2)所示。

(2)

式中，β2为叶片安放角度，g为重力加速度，k为叶片角速度，b2为叶片出口宽度，J2 为叶轮出口挤压系数，QTd为设计流量，HTd 为设计扬程。根据已有实验结论分析，发现式(2)计算的叶片安放角度值小于实际值，将会影响加大流量设计法的预算值，为避免出现较大设计误差，计算时对式(2)所得出的值进行后期修正。

1.3 结构设计计算

根据两大设计理论原理，所设计的消防泵具体参数为：原设计流量160 m3/h ，原设计扬程500 m，原设计比转速10 000 r/min，根据式(1)计算得到相应的放大系数分别为1.12 ,1.20 和0.86 ，在NX 软件中搭建消防泵诱导轮实体模型。

1.3.1 诱导轮的流体设计

消防泵叶轮前段安装螺距诱导轮，能够增加离心泵叶轮的进口压力，保证消防泵运行时不会出现空蚀现象[7]，设计诱导轮的叶片数为Z=3 。

诱导轮进口角αind 和叶片角βind 计算较为复杂，设计时根据参考文献[8]的计算方法，将进口角和叶片角的值控制在合理范围内，即3°≤αind ≤5° ，7°≤βind ≤10° ，本文取进口角αind 和叶片角βind 分别为5° 和10° 进行计算设计。

根据诱导轮工作时的流量参数，计算诱导轮叶尖直径，公式为

(3)

式中，D1为诱导轮叶尖直径，Q为放大后流量，n为诱导轮转速，φind 为诱导轮流量系数。φind的取值范围为0.064～0.140，为保证消防泵系统整体效率以及降低叶轮空蚀性，取0.100 ，计算得到的D1值为95 mm 。

同时，为保证消防水泵的工作效率，诱导轮的轮轴应设计为圆锥型结构，并减小诱导轮的进口轮毂比，取轮毂比为Rd=0.20。

诱导轮进口处的叶片后掠角θ1的取值同样能够决定诱导轮的空蚀性能和叶片的过流能力[9]，后掠角取值范围在60°～180° 之间，取诱导轮进口处的叶片后掠角θ1 =60° 。对诱导轮叶片的轮缘处包角进行计算，公式如下：

(4)

式中，θ2为叶片轮缘包角；τ 为叶片分布密度，理论上取值为1.5～3.0 之间，因此取值2.0 ，诱导轮叶片的轮缘处包角计算值为236°。

由诱导轮叶尖直径计算诱导轮导程，公式为

S=πD1 tanβind

(5)

式中，S为诱导轮导程。

继而得到诱导轮螺距公式：

(6)

式中，t为诱导轮螺距。最终计算出诱导轮导程为42 mm，螺距为14 mm 。考虑到诱导轮导套的结构尺寸，越小的间隙值对空蚀性能越有利，这里取叶片尖端间隙值为0.5 mm 。

1.3.2 泵蜗壳设计

得到消防泵诱导轮实体模型参数之后，需要考虑泵蜗壳喉部面积。根据加大流量设计原理，应将叶片安装部位的喉部面积进行合理扩充，由速度参数法推算喉部面积：

(7)

式中，Fg为喉部面积，Vh为蜗壳断面处流体平均流速。Vh 可以由设计扬程计算得出，具体计算公式为

(8)

式中，kh为对应流域的速度系数，查表取为0.42。参考加大流量设计原理的消防泵参数，喉部面积为计算值的1.3～1.5倍[10]。

为了使消防泵扬程曲线整体呈现平缓趋势，取1.5倍喉部面积值。将泵的放大流量值和放大扬程代入式(8)，最终的泵蜗壳喉部面积为1 140 mm2。

1.3.3 实体模型搭建

将设计计算后的诱导轮参数进行总结统计，具体参数见表1。

表1 消防泵的关键几何参数

以设计参数为准，利用NX软件搭建诱导轮实体模型，如图1所示。

图1 诱导轮实体模型

2 诱导轮仿真分析

将得到的诱导轮及其所在流域模型导入ANSYS软件中的CFD模块，仿真时选择非结构化四面体作为基本单元格。

叶片边缘以及叶片与轮轴连接处细化网格处理，整个模型划分的单元格总数为11 056 217个，设置各单元格k，ε以及速度分量的收敛精度为1.0×105 。前处理阶段采取Navier-Stokes方程，设置为定常雷诺数模式，并以RNG k-ε方程模型计算。压力与速度的耦合方式为SMPLEC法，初始流场设置为稳态RANS计算的输出形式。

2.1 流域仿真结果分析

图1所示的诱导轮形成的流域模型对应的速度流线分布云图如图2所示。

图2 诱导轮流域模型速度流线分布云图

分析结果可知，诱导轮叶片根部的流体速度较大，而轮毂处流体由于回流的影响，导致速度略低，最低处为20.15 m/s。整体流体速度由诱导轮轮毂至轮缘呈对称分布，未出现明显的液流冲击现象。整体流域速度分布良好，流道清晰。

图3为诱导轮流域模型压力流线云图,最高压力出现在诱导轮底端及轮缘处，为1.95 MPa。在流域底端，叶片中部会出现局部较小压力差，但不影响泵出口压力。

图3 诱导轮流域模型压力流线云图

诱导轮流域模型涡粘性流线云图如图4所示。从图中可以看出，诱导轮叶片尾端流域流体出现涡流现象，整体流体流域涡粘性良好，未出现严重湍流现象。

图4 诱导轮流域模型涡粘性流线云图

2.2 诱导轮仿真结果分析

对工作时的诱导轮结构进行等效应力和形变仿真分析，图5为诱导轮等效应力云图。结果显示，整个诱导轮结构的最大等效应力出现在叶片的顶缘，为5.72 MPa，同时等效应力由叶片外缘至轮毂处呈递减分布，由此可见整个诱导轮的等效应力分布均匀，该结构能够实现消防泵增压以及提高泵的空蚀性能。

图5 诱导轮等效应力云图

图6为诱导轮结构总形变量云图。仿真结果显示，整体结构形变由轮毂至轮缘逐步增大，叶片顶端外缘处材料为最大形变处，最大形变为0.04 mm，整体结构未出现异常形变。

2.3 性能模拟曲线

为保证增加了诱导轮后的消防水泵性能，在泵叶轮额定转速工况下，对50%～150%流量范围选取12个观测点绘制泵性能曲线，如图7所示。

图6 诱导轮结构总形变量云图

图7 消防泵性能特性曲线

图7中，H-Q曲线呈现平缓下降趋势，整体水力性能稳定，在泵流量为160 m3/h时，实际扬程为479 m，实际效率为57.2%；当设计流量为150%时，实际扬程为343 m，达到额定扬程的69.4%，同时泵的关死点处扬程为630 m，为额定扬程的127.5%，符合规定的设计要求。

3 结论

(1)增加诱导轮的消防水泵提高了泵的单级扬程，能够输出稳定压力流束，汽蚀余量符合设计规范，有利于增加城市车载消防设备应对高层建筑火灾的能力。

(2)利用ANSYS软件就所设计的诱导轮结构进行了仿真模拟，对应的流体分析和诱导轮结构分析结果显示，泵内水流流线稳定，整体流域压力分布合理，对泵出口处湍流控制较好。

(3)设计过程中借助了加大流量设计法以及无过载设计技术，增加了消防泵工作效率，很好地控制了泵流量扬程曲线的平稳度，各项性能参数满足消防泵设计要求。