徐 鑫，杨晓玲，高 珊

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳1100151）

0 引言

地面台架试验是航空发动机从方案设计到定型交付的关键环节，台架试验成功与否对发动机的改进改型乃至1个新机种的诞生至关重要。水泵是水系统的重要设备，用于发动机滑油散热、压缩空气散热、测功机负载调控，其运行状况好坏直接影响试验的可靠性和安全性。根据现场调查，由于选型不当、扬程过大无法在最佳工况点运行、型号与运行方式相矛盾、不同型号的水泵并行、特性曲线差异很大等原因，目前水泵的实际运行效率偏低。从降低成本、节约能源、保障试验的目标出发，进行水系统装置扬程的计算及泵的选型分析意义重大[1-4]。

本文通过对泵的选型参数进行计算分析，得到泵的扬程、流量选型计算和设计的依据，提出水泵选型的方法及流程，可作为今后类似水系统工程设计的依据。

1 水系统性能参数计算

某型发动机台架试验水系统（如图1所示）包括储水箱、气液分离器、换热器（10个换热单元）、水泵、冷却器、3通温控阀、蝶阀、截止阀、止回阀、真空阀和孔板等部件。初温为17℃的冷却水在泵的驱动下，经气液分离器滤气后进入换热器，换热后的高温水在冷却器内冷却至初温，经3通温控阀重新流入泵中。已知水系统的装置静扬程Hst=5m，泵在该系统中运行的装置扬程为Hr，泵的进、出口压差为Δp，泵的出口流量Q0=160～200kg/s，整个系统共有3种不同规格的管型（i=1、2、3），管径di=300、250、50mm，管长di=72、4、54m，管流量li=160～200、80～100、16～20kg/s，流速V=4Q/πρd2。

图1 某型发动机台架试验水系统

1.1 沿程阻力损失

沿程阻力损失计算公式[5-8]

式中：l 为管长，m；λ 为沿程阻力系数，是雷诺数Re和相对粗糙度ε /d 的函数，按表1中的公式计算。

表1 沿程阻力系数[5]

圆形截面管路雷诺数为

取v=1.08155×10-6m2/s，根据Qi、di值，由式（2）得Rei=（6.28~7.85）×105、（3.77~4.71）×105、（3.77~4.71）×105。

取ε=0.08mm，根据表1中Rei对应的λi公式，得λi=0.01563～0.01584、0.01658～0.01686、0.02264～0.02277。

根据λi、di、Qi值，由式（1） 得ΔPfi=9748.8～15030.6、358.6～551.0、817292.3～1269728.4Pa。

1.2 局部阻力损失

局部阻力损失公式为[5-8]

式中：ζ 为局部阻力系数。

如图1所示的水系统包括蝶阀8个、止回阀2个、截止阀3个、3通温控阀1个、孔板1个、气液分离器1个、弯头14个，局部阻力见表2。

表2 某管路系统局部阻力损失

1.3 装置扬程和功率

装置扬程计算公式为[9-10]

由式（4）计算得Hr=100.5～151.2m。

泵输出功率为

由式（5）计算得Pe=160.8～302.4kW。

1.4 装置特性曲线

根据计算的流量、扬程值，绘制水系统Q-Hr装置特性曲线AB，如图2所示。泵或多台泵串、并联的特性曲线与AB 相交，其交点即整个水系统的工况点。在特性曲线图上，在多台泵并联时，自系统工况点引水平线与泵特性曲线的交点，即泵的工况点；在多台泵串联时，自系统工况点引垂线与泵特性曲线的交点，即泵的工况点[11-13]。

图2 水系统装置特性曲线

2 泵的选型方案

一般根据水系统的流量、扬程需求选择泵，根据泵的性能规格表选择相应型号。更常用的方法是将泵的流量-扬程特性曲线标绘到水系统Q-Hr装置特性曲线图上，如果2条曲线不存在交点，表明该型泵不能满足要求，应适当改变泵的台数或工作条件[14-15]。

在发动机台架试验水系统中，水泵需要满足2个相矛盾的要求，既要保证整个系统有足够水进行热交换，又不能使系统升压过高损坏系统内承压能力较低的换热器。因此选型时不可盲目选高扬程。对于流量范围较大的水系统，可采用串联、并联或二者联合连接的方式使用较小的水泵，既能节省发动机台架试验的基础投入费用，也能降低功率和运行费用。根据水系统的装置性能曲线，对目前市场上的水泵进行调研后，给出以下几种泵的选型方案。

3台IS和KZ型水泵并联运行性能曲线如图3、4所示。从图中可见，假设水泵并联点前的管路对称布置，3台IS125-100-315水泵并联后与装置特性曲线AB 相交于C 点（178.9，123.2），则流量为160~178.9Q/（kg/s）时，3台IS125-100-315水泵并联满足要求；3台IS125-100-315A并联后与装置特性曲线相交于D 点（165.8，107.2），则流量为160~165.8 Q/（kg/s）时，3台IS125-100-315A水泵并联满足要求；3台KZ200-125水泵并联后与装置特性曲线相交于O 点（178.9，123.2），则流量为160～178.9Q/（kg/s）时，3台KZ200-125水泵并联满足要求。

图3 3台IS型水泵并联运行性能曲线

图4 3台KZ型水泵并联运行性能曲线

2台Sh和S型水泵串联运行性能曲线如图5、6所示。从图中可见，2台12Sh-6B水泵串联后与装置特性曲线相交于E 点（189.0，136.2），则流量为160～189.0Q/（kg/s）时，2台12Sh-6B水泵串联满足要求；2台12Sh-9水泵串联后与装置特性曲线相交于F 点（180.5，125.2），则流量为160～180.5Q/（kg/s）时，2台12Sh-9水泵串联满足要求；2台12Sh-9A水泵串联后与装置特性曲线相交于 G 点（164.7，106.0），则流量为160～164.7Q/（kg/s）时，2台12Sh-9A水泵串联满足要求；2台300S90B水泵串联后与装置特性曲线相交于H 点（189.0，136.2），则流量为160～189.0Q/（kg/s）时，2台300S90B水泵串联满足要求；2台300S58串联后与装置特性曲线相交于L 点（180.5，125.1），则流量为160～180.5Q/（kg/s）时，2台300S58水泵串联满足要求。

图5 2台Sh型水泵串联运行性能曲线

图6 2台S型水泵串联运行性能曲线

3 方案比较

确定水泵串、并联运行的重点在于为泵选择合适的连接方式、确定合适的运行工况点。选择泵的连接方式需考虑水系统的装置特性曲线，一般认为串联比并联更易成功。

将上述3种并联方案、5种串联方案的结果进行分析比较，见表3。

表3 泵的选型方案比较

4 结束语

通过对水泵选型方案中泵的连接方式、效率、能耗进行分析比较，结合工程投资和运行费用得出：2台12Sh-9/12Sh-9A水泵串联运行，具有较高的平均效率和扬程利用率，能量浪费少，投资小，可达到预期设计指标；其中又以2台12Sh-9A水泵串联运行方案的流量调节范围最大。

[1]鄢碧鹏，汤方平，刘超.水泵选型方法的研究[J].扬州大学学报（自然科学版），1999，2（3）：59-61.YAN Bipeng，TANG Fangping，LIU Chao.Study on the method of pump selection[J].Journal of Yangzhou University（Natural Science Edition），1999，2（3）：59-61.（in Chinese）

[2]吴建华，贾贺民，郑怀山.水泵优化选型的研究[J].排灌机械，1995（4）：5-7.WU Jianhua，JIA Hemin，ZHENGHuaishan.Study on optimum selecting pump[J].Drainage and Irrigation Machinery，1995（4）：5-7.（in Chinese）

[3]任明达，王伟业，程玫.泵的优化选型[J].机电工程，2004，21（7）：59-60.REN Mingda，WANG Weiye，CHENG Mei.Optimum selection of pump[J].Mechanical and Electrical Engineering Magazine，2004，21（7）：59-60.（in Chinese）

[4]孙铁.离心泵与管路系统优化选型[J].流体机械，2003，31（2）：36-38.SUN Tie.Optimum selection of centrifugal pumps and pipes systems[J].Fluid Machinery，2003，31（2）：36-40.（in Chinese）

[5]周世昌，曹鑫铭，徐学新，等.液压传动与控制[M].北京：机械工业出版社，2001，42：18-23.ZHOU Shichang，CAO Xinming，XU Xuexin，et al.Hydraulic transmission and control[M].Beijing：China Machine Press，2001，42：18-23.（in Chinese）

[6]柴立平，何玉杰.泵选用手册[M].北京：机械工业出版社，2009：45-48.CHAI Liping，HE Yujie.Pump selection manual[M].Beijing：China Machine Press，2009：45-48.（in Chinese）

[7]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011：113-120.GUAN Xingfan.Theory and design of modern pump[M].Beijing：China Astronautic Press，2011：113-120.（in Chinese）

[8]明文雪，尹良明，崔银河.沥青输送泵的选型计算[J].轻金属，2007（8）：35-39.MING Wenxue，YIN Liangming，Cui Yenhe.Choosing and calculation of pitch delivery pump[J].Light Metals，2007（8）：35-39.（in Chinese）

[9]刘竹溪，刘景植.水泵及水泵站[M].北京：中国水利水电出版社，2009：17-23.LIU Zhuxi，LIU Jingzhi.Pump and pump station[M].Beijing：China Water Power Press，2009：17-23.（in Chinese）

[10]刘学海，闫凤珍.工业锅炉给水泵的选型方法[J].热能动力工程，2004，19（3）：318－319.LIU Xuehai，YAN Fengzhen.Type selection method for the feedwater pumps of industrial boilers[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2004，19（3）：318-319.（in Chinese）

[11]尹士君，黄水华，王颖.水泵优化选型的建模方法[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版），2006，22（3）：462-465.YIN Shijun，HUAN Shuihua，WANG Ying.The modeling method of optimilized pump selection[J].Journal of Shenyang Jianzhu University（Natural Science Edition），2006，22（3）：462-465.（in Chinese）

[12]王毅，费纪丽，王辉.离心水泵串并联及经济性[J].大连大学学报，2005，26（4）：10-11.WANG Yi，FEI Jili，WANG Hui.Series connected and parallel connected centrifugal pump and the economy analyses[J].Journal of Dalian University，2005，26（4）：10-14.（in Chinese）

[13]袁建平,袁寿其,何志霞,等.不同特性泵串并联系统的性能预测[J].排灌机械，2004，22（6）：1-4.YUAN Jianping，YUAN Shouqi，HE Zhixia，et al.Prediction of performance for dissimilar centrifugal pumps coupled in series or in parallel[J].Drainage and Irrigation Machinery，2004，22（6）：1-4.（in Chinese）

[14]万进舟.水泵选型及样本制作系统[D].上海：上海交通大学，2010.WAN Jinzhou.Pump selection and brochure design system[D].Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2010.（in Chinese）

[15]陈韬.泵装置试验与进水流道数值模拟研究[D].南京：河海大学，2007.CHEN Tao.Study on pump system experiment and the numerical simulation of flow in the inlet[D].Nanjing：Hehai University，2007.（in Chinese）