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口环间隙对立式单级消防泵组性能影响的试验研究
来源： 发布日期：2019-05-27 14:05:53 作者：
立式单级消防泵组作为建筑物中消火栓系统和喷淋系统的重要设备，担负着消防管网的供水任务。消防泵的口环是叶轮与泵壳之间的重要部件，口环间隙的大小将直接影响水泵的整体性能。口环间隙过小会导致磨损严重，零部件寿命减短；口环间隙过大导致容积效率降低，影响水泵性能。
目前，国内外学者对其进行了广泛的研究。杨宇宸等人运用数值模拟的方法探究了不同叶轮口环间隙宽度下离心泵的泄漏量与性能的变化情况。DaqiqShirazi,M 等人研究了低比转速离心泵口环间隙对泵内流场及泵效率的影响，发现当口环间隙增大三倍以上时，泵整体效率的降低显著减小。Haddara M R 对不规则形状的口环进行了研究，得到了间隙内流体的压力、轴向力的分布规律。但在 GB6245-2006《消防泵》中消防泵组的性能测试方法中，消防泵的性能检测是在 1m 吸深的前提下进行的，国内外在这方面的试验研究相对较少。因此，笔者基于学者们的研究基础，针对消防用立式单机离心泵组展开研究，设计相应的试验管路，对三种口环间隙下的离心泵的性能进行分析。
1 试验条件与试验方法
1.1 试验条件
根据国家标准 GB6245-2006《消防泵》中相关条款规定的试验条件，在 1m 吸深的前提下对立式单级消防泵组的性能进行测试，测试管路为 DN100 的不锈钢管路。主要试验仪器为：精度为 0.075% 的压力传感器测量，精度为 0.5 级的DN100 电磁流量计，误差范围为 ±0.1% 感应线圈传感器以及0.1 级电流互感器等。
1.2 试验方法
试验数据采集及处理。使用 DN100 的管径对不同口环间隙下的样机泵进行性能测试，通过调节出口阀门将消防泵组从 0 流量点至 1.5 倍额定流量点依次进行测量，共取13 个测量点。每个流量点应有一定时间的间隔，并应同时测量流量、压力、转速及电流和电压。本文采用的样机型号为 XBD6.0/20G-L 的立式单级消防泵组进行，其额定转速为2900r/min，电机功率为 22kW，电机效率 89%。通过改变口环的外径大小，使样机实现三种不同大小的口环间隙，分别为 0.25mm、0.40mm、0.55mm，进行相应的性能试验。
2 试验结果与分析
2.1 口环间隙对立式单级消防泵组扬程的影响
根据试验所得数据，经由公式计算后绘制不同口环间隙下扬程随流量变化规律曲线，如图 1所示。随口环间隙的增大，水泵扬程逐渐降低，整体曲线呈下降的趋势。在出口阀门开度不大的小流量点时，扬程仅有小幅度降低。随着阀门开度的不断增大，流量不断增加，扬程的变化也更加剧烈，在口环间隙为 0.55mm 时扬程降低尤为明显。口环间隙的增大对水泵扬程产生负面影响，口环间隙越大，高速运动的流体会进入间隙的位置，从而产生大量的能量损失，导致扬程下降。在 1.5 倍额定流量点时，口环间隙为 0.55mm 下的扬程变化程度最大，曲线出现陡降，说明此时水泵即将发生汽蚀现象。
2.2 口环间隙对立式单级消防泵组效率的影响
图 2 为不同口环间隙下扬程随流量变化曲线，从中可以发现，随着口环间隙的增大，消防泵的效率将减小。在小于额定流量点之前，泵的效率变化不明显。随着流量的不断增大，口环间隙的大小对效率的影响逐渐增大。当口环间隙为 0.25mm 时，泵效率曲线没有出现明显拐点。口环间隙越大，泵的效率曲线拐点越明显。同时，从曲线上可以看出，在 1.5 倍额定流量点时，口环间隙的大小对效率的影响最大，在这种极限流量点时，水泵本身是处于高能耗状态，当口环间隙过大时，由于容积损失加大，将对水泵的性能产生严重的影响。
2.3 口环间隙对立式单级消防泵组轴功率的影响
从图 3 不同口环间隙下轴功率随流量变化曲线中可以发现，随着口环间隙的增大，轴功率整体呈现增大趋势。在流量点 15L/s 之前，不同口环间隙对轴功率的影响较小，轴功率曲线几乎重合。随着流量的增大，口环间隙的影响逐渐放大。这由于大流量点时，叶轮出口处大量高压的流体会通过口环间隙进入进口低压区，泄漏量增加导致水泵电机需要做更多的功来满足此时的流量、扬程。在 1.5 倍额定流量点时，可以在口环间隙 0.55mm 的曲线上看到轴功率快速增加，此时的水泵电机处于超功率运行状态，在这种状态下长时间运转将对电机产生破坏性的影响。
3 结语
在 DN100 的测试管路下对立式单级消防泵组的性能进行测试，以三种口环间隙 0.25mm、0.40mm、0.55mm 为变量，探讨其对水泵扬程、效率、轴功率的影响。通过试验数据处理及分析，得到以下结论。（1）口环间隙对泵扬程的影响，随流量点的增大，压力梯度减小，扬程变化愈加明显。（2）随着口环间隙的增大，消防泵的效率将减小，口环间隙越大，泵的效率曲线拐点越明显，容积损失越大。（3）小流量的下口环间隙对轴功率影响不大，在 1.5 倍额定流量点时，口环间隙过大，将导致水泵电机超功率运行，影响消防泵的寿命。（4）消防泵在 1.5 倍额定流量点时，水泵性能受口环间隙的影响最大。
目前，国内外学者对其进行了广泛的研究。杨宇宸等人运用数值模拟的方法探究了不同叶轮口环间隙宽度下离心泵的泄漏量与性能的变化情况。DaqiqShirazi,M 等人研究了低比转速离心泵口环间隙对泵内流场及泵效率的影响，发现当口环间隙增大三倍以上时，泵整体效率的降低显著减小。Haddara M R 对不规则形状的口环进行了研究，得到了间隙内流体的压力、轴向力的分布规律。但在 GB6245-2006《消防泵》中消防泵组的性能测试方法中，消防泵的性能检测是在 1m 吸深的前提下进行的，国内外在这方面的试验研究相对较少。因此，笔者基于学者们的研究基础，针对消防用立式单机离心泵组展开研究，设计相应的试验管路，对三种口环间隙下的离心泵的性能进行分析。
1 试验条件与试验方法
1.1 试验条件
根据国家标准 GB6245-2006《消防泵》中相关条款规定的试验条件，在 1m 吸深的前提下对立式单级消防泵组的性能进行测试，测试管路为 DN100 的不锈钢管路。主要试验仪器为：精度为 0.075% 的压力传感器测量，精度为 0.5 级的DN100 电磁流量计，误差范围为 ±0.1% 感应线圈传感器以及0.1 级电流互感器等。
1.2 试验方法
试验数据采集及处理。使用 DN100 的管径对不同口环间隙下的样机泵进行性能测试，通过调节出口阀门将消防泵组从 0 流量点至 1.5 倍额定流量点依次进行测量，共取13 个测量点。每个流量点应有一定时间的间隔，并应同时测量流量、压力、转速及电流和电压。本文采用的样机型号为 XBD6.0/20G-L 的立式单级消防泵组进行，其额定转速为2900r/min，电机功率为 22kW，电机效率 89%。通过改变口环的外径大小，使样机实现三种不同大小的口环间隙，分别为 0.25mm、0.40mm、0.55mm，进行相应的性能试验。
2 试验结果与分析
2.1 口环间隙对立式单级消防泵组扬程的影响
根据试验所得数据，经由公式计算后绘制不同口环间隙下扬程随流量变化规律曲线，如图 1所示。随口环间隙的增大，水泵扬程逐渐降低，整体曲线呈下降的趋势。在出口阀门开度不大的小流量点时，扬程仅有小幅度降低。随着阀门开度的不断增大，流量不断增加，扬程的变化也更加剧烈，在口环间隙为 0.55mm 时扬程降低尤为明显。口环间隙的增大对水泵扬程产生负面影响，口环间隙越大，高速运动的流体会进入间隙的位置，从而产生大量的能量损失，导致扬程下降。在 1.5 倍额定流量点时，口环间隙为 0.55mm 下的扬程变化程度最大，曲线出现陡降，说明此时水泵即将发生汽蚀现象。
2.2 口环间隙对立式单级消防泵组效率的影响
图 2 为不同口环间隙下扬程随流量变化曲线，从中可以发现，随着口环间隙的增大，消防泵的效率将减小。在小于额定流量点之前，泵的效率变化不明显。随着流量的不断增大，口环间隙的大小对效率的影响逐渐增大。当口环间隙为 0.25mm 时，泵效率曲线没有出现明显拐点。口环间隙越大，泵的效率曲线拐点越明显。同时，从曲线上可以看出，在 1.5 倍额定流量点时，口环间隙的大小对效率的影响最大，在这种极限流量点时，水泵本身是处于高能耗状态，当口环间隙过大时，由于容积损失加大，将对水泵的性能产生严重的影响。
2.3 口环间隙对立式单级消防泵组轴功率的影响
从图 3 不同口环间隙下轴功率随流量变化曲线中可以发现，随着口环间隙的增大，轴功率整体呈现增大趋势。在流量点 15L/s 之前，不同口环间隙对轴功率的影响较小，轴功率曲线几乎重合。随着流量的增大，口环间隙的影响逐渐放大。这由于大流量点时，叶轮出口处大量高压的流体会通过口环间隙进入进口低压区，泄漏量增加导致水泵电机需要做更多的功来满足此时的流量、扬程。在 1.5 倍额定流量点时，可以在口环间隙 0.55mm 的曲线上看到轴功率快速增加，此时的水泵电机处于超功率运行状态，在这种状态下长时间运转将对电机产生破坏性的影响。
3 结语
在 DN100 的测试管路下对立式单级消防泵组的性能进行测试，以三种口环间隙 0.25mm、0.40mm、0.55mm 为变量，探讨其对水泵扬程、效率、轴功率的影响。通过试验数据处理及分析，得到以下结论。（1）口环间隙对泵扬程的影响，随流量点的增大，压力梯度减小，扬程变化愈加明显。（2）随着口环间隙的增大，消防泵的效率将减小，口环间隙越大，泵的效率曲线拐点越明显，容积损失越大。（3）小流量的下口环间隙对轴功率影响不大，在 1.5 倍额定流量点时，口环间隙过大，将导致水泵电机超功率运行，影响消防泵的寿命。（4）消防泵在 1.5 倍额定流量点时，水泵性能受口环间隙的影响最大。
