基于數(shù)值模擬和模型試驗的泥泵優(yōu)化設(shè)計

鄭琳珠，陶潤禮，莊海飛，陳功，林挺

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

絞吸挖泥船在港口航道疏浚、圍海吹填造陸等基礎(chǔ)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。泥泵作為絞吸挖泥船的核心裝備，其高效、穩(wěn)定運行直接關(guān)系到整船的工作效率?！笆晃濉逼陂g，國內(nèi)自行建造了多艘大型絞吸挖泥船，每艘配備1臺或2臺艙內(nèi)（甲板）泵。

在施工過程中，泥泵的效率直接影響挖泥船的工效。國外先進同類船型的施工效率要比國內(nèi)高15%以上，其中艙內(nèi)（甲板）泵和水下泵均為高效泥泵，清水最高效率達86%。

國外比較成熟的泥泵生產(chǎn)和研究企業(yè)有荷蘭的IHC公司、德國LMG公司、日本三菱公司等，這些企業(yè)對泥泵進行了長期研究，投入大量的研發(fā)人員和資金，研發(fā)的艙內(nèi)（甲板）泵的效率可達85%以上，產(chǎn)品市場占有率高。國內(nèi)疏浚企業(yè)先后從荷蘭引進的“新海龍”、“萬傾砂”、“通坦號”等大型疏浚挖泥船上都使用了這種高效泥泵，國外疏浚公司在挖泥船上使用高效泥泵也十分普遍。隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展，疏浚市場也迎來了發(fā)展機遇，國內(nèi)疏浚企業(yè)開始自主建造大型疏浚船舶，高效泥泵研制引起高度關(guān)注，國內(nèi)原有的一些水泵廠看到了疏浚市場的巨大需求，開始研發(fā)大型高效泥泵，但研發(fā)的產(chǎn)品與國外產(chǎn)品還存在一定差距。

國內(nèi)許多學(xué)者對泥泵進行了研究，何希杰提出用漸開線型線設(shè)計泥泵葉輪的設(shè)計方法[1]，高瑛采用數(shù)值模擬方法對船用挖泥泵的內(nèi)部流場進行了分析[2]，彭光杰采用數(shù)值模擬方法預(yù)測了泥泵的外特性曲線，并與實測曲線進行了比較，結(jié)果表明揚程符合很好，小流量區(qū)的效率誤差較大[3]，張曉娜采用數(shù)值模擬方法對泥泵葉輪進行了優(yōu)化設(shè)計，提高了泥泵的揚程和效率[4]。

本文基于數(shù)值模擬，分析了絞吸挖泥船大型泥泵內(nèi)部流場，對葉輪進行了優(yōu)化設(shè)計；根據(jù)相似定律設(shè)計制造了模型泵，測試結(jié)果表明，水力性能達到了預(yù)期。

1 泥泵流場的數(shù)值模擬

1.1 設(shè)計及三維建模

結(jié)合原絞吸挖泥船的功率配置和管路要求，提出了本項目泥泵的清水設(shè)計參數(shù)：流量Q=14 000 m3/h，揚程H=73 m，轉(zhuǎn)速n=328 r/min，水力效率ηh=86%，進口直徑D1=850 mm，排口直徑D2=560 mm，葉輪為閉式葉輪，葉片數(shù)Z=3。實踐表明，泥泵采用扭曲葉片，更符合流動規(guī)律，減小脫流和漩渦，不但提高效率，而且減輕磨損。因此，泥泵葉片應(yīng)當采用設(shè)計扭曲葉片的方法來繪型[5-6]。

泥泵全流道模型由進口、葉輪、泵體三部分組成。為保證精度，本模擬采用蝸殼和葉輪聯(lián)合求解的方法。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進出口延長以保證進出口段的流動均勻。

1.2 基本方程式

液體在離心泵內(nèi)部的絕大多數(shù)區(qū)域處于充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，一般認為連續(xù)性方程和動量方程對于描述泵內(nèi)湍流的瞬時運動是適用的，具體公式見有關(guān)資料[7]。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對泥泵水體進行了網(wǎng)格劃分，見圖1。湍流模型采用標準的k-ε模型，入口邊界條件通常設(shè)置為速度入口（velocityinlet）。速度入口邊界條件適用于不可壓縮流動問題，需要指定速度的大小、方向或者各速度分量；出口邊界條件通常設(shè)置為（自由）出流（outflow）[7]。

固壁處均采用無滑移邊界條件。以葉輪為代表的移動壁面采用旋轉(zhuǎn)參考坐標系，并假定葉輪相對于其通道內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)速度為零；以蝸殼等為代表的固定壁面均采用靜止的絕對坐標[8]。

1.4 水力性能分析

圖1 泥泵網(wǎng)格圖Fig.1 The dredge pump grid

根據(jù)泥泵過流部件的初步設(shè)計方案，對葉輪進行了優(yōu)化，葉片向葉輪進口部位延伸，調(diào)整葉片型線，增大葉片進口角等[6]。

1.4.1 流場分析

圖2為葉片表面優(yōu)化前后的壓力分布云圖。

圖2 葉片壓力云圖Fig.2 The blade'spressure

圖2 中可以看出，葉片進口背面存在低壓區(qū)（深色區(qū)域），是最容易發(fā)生氣蝕的區(qū)域，但優(yōu)化后該低壓區(qū)面積減小，表明該泵抗氣蝕性能比優(yōu)化前好。

葉輪中心面相對速度分布云圖如圖3所示。

從圖3可以看出，優(yōu)化前葉片工作面靠近進口處存在渦區(qū)，優(yōu)化后的葉輪中心面上的相對流速分布比較均勻，不存在速度梯度很大的區(qū)域，且相對速度方向均沿著葉片方向，葉輪流道內(nèi)無漩渦區(qū)，說明葉片設(shè)計合理，有利于提高泵的水力效率，同時減少泥沙對葉輪流道表面的磨損。

1.4.2 水力性能曲線

在轉(zhuǎn)速為328 r/min時，分別對6個流量點進行模擬計算，得到該泵的外特性曲線，見圖4，圖中H1，η1為最終優(yōu)化后的揚程和水力效率。在額定轉(zhuǎn)速328 r/min，額定流量14 000 m3/h下，對模擬預(yù)測值和設(shè)計值進行比較，如表1所示。

圖3 葉輪中心面相對速度分布Fig.3 Distribution of the relative speed on impeller center plane

圖4 泥泵預(yù)測外特性曲線Fig.4 Curves of the predicted model pump external characteristics

表1 額定工況點比較Table1 Contrast of therated conditions

H1，η1為最終優(yōu)化后的揚程和水力效率。從圖4可以看出，揚程曲線較平滑，最高水力效率均達到了86%，且效率大于80%的高效區(qū)比較寬，說明該泵可以在較大的流量范圍內(nèi)保持較高的水力效率。

由表1知，在額定工況點，模擬得到的揚程、功率和效率均達到了設(shè)計要求。

2 泥泵的模型試驗

相似理論在泵的設(shè)計和實驗中廣泛應(yīng)用，通常所說的按模型換算進行相似設(shè)計和進行模型實驗就是在相似理論指導(dǎo)下進行的，按相似理論可以把模型試驗結(jié)果換算到實型泵上，也可以將實型泵的參數(shù)換算為模型的參數(shù)進行模型設(shè)計和試驗[5]。用小的模型進行試驗要比真機試驗經(jīng)濟得多，而且因受到試驗臺和真機尺寸過大的限制，用模型試驗代之。

2.1 模型泵的設(shè)計制造

考慮模型泵試驗臺，根據(jù)相似理論，模型泵與原泵尺寸比例定為0.25。模型泵為單殼泵設(shè)計。為保證模型泵的精度，葉輪為精密鑄造。

2.2 模型泵的試驗結(jié)果

模型泵在某泵廠的離心泵清水試驗臺進行了試驗，試驗精度為1級精度[9]。

模型泵效率分析計算說明：

泵手冊[6]中有：

式中：ηh為水力效率；η為泵總效率，即為試驗臺顯示的效率；ηv為容積效率；ηm為機械效率。此試驗中，取ηh=η/96%。表2為模型泵在離心泵清水試驗臺的試驗數(shù)據(jù)，模型泵試驗最高水力效率為83.6%。

表2 模型泵在不同工況下的試驗數(shù)據(jù)Table 2 Test data of the model pump in different conditions

2.3 試驗數(shù)據(jù)換算

模型泵與實型泵的尺寸比例為1∶4，流量和揚程按照相似定律進行換算，由于模型泵與實泵的雷諾數(shù)、表面相對粗糙度和相對間隙不同，造成二者效率存在比尺效應(yīng)[5]，通常，模型泵的效率要低于實泵。泵效率中水力效率占的份額最大，因此，在數(shù)據(jù)換算過程中，水力效率考慮比尺效應(yīng)，并用水力效率修正值來修正模型泵與實型泵的總效率。本文采用規(guī)范GB/T 1563.1—2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗第1部分：通用規(guī)定》的方法對水力效率進行修正。

規(guī)范GB/T 15613.1—2008中規(guī)定效率差Δηh=ηP-ηM的計算公式：

式中：M，P分別代表模型泵和原型泵；Reref為參考雷諾數(shù)，取Reref=7×106；δref為在雷諾數(shù)為Reref且滿足δref=（1-ηhref）Vref的工況點處的可按比尺效應(yīng)的相對損失，δref的計算公式為：

式中：ReoptM為模型各運行模態(tài)下測得最優(yōu)水力效率ηhoptM處的雷諾數(shù)；Vref為相對損失系數(shù)，對于徑流式水泵取Vref=0.6。

不同工況的性能參數(shù)對比見表3。

表3 不同工況的性能參數(shù)對比Table3 Contrast of the performance parametersin different conditions

由表3可知：

1）流量-揚程：兩趨勢一致，相對誤差小于3%；

2）流量-水力效率：模型泵試驗轉(zhuǎn)換為實泵的數(shù)據(jù)與實泵模擬數(shù)據(jù)變化趨勢一致；與模擬數(shù)據(jù)相比，試驗轉(zhuǎn)換為實泵的數(shù)據(jù)在小流量區(qū)略低于模擬值，在流量點14 000 m3/h時，水力效率相差0.2個百分點；模擬和試驗轉(zhuǎn)換的最高水力效率均達到了86.2%。

3 結(jié)語

1）優(yōu)化設(shè)計的泥泵的水力性能在額定工況點達到了設(shè)計要求；泥泵水力性能曲線平滑，且大于80%的高效區(qū)較寬，提高了泥泵的高效工作范圍；該泵葉輪流道內(nèi)流體相對速度方向均沿著葉片，無漩渦，葉片型線設(shè)計合理。

2）使用數(shù)值分析和模型試驗結(jié)合的水力設(shè)計方法，對泥泵水力效率進行研究，設(shè)計制造了模型泵（1∶4），縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了模型泵制造和試驗的成本。

3）國內(nèi)同類船舶數(shù)量很多，高效泥泵需求量大，如果優(yōu)化泵的成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，將極大地提高絞吸挖泥船的施工效率，降低單方能耗，為節(jié)能減排貢獻力量，同時增加疏浚產(chǎn)值，提高經(jīng)濟效益。

[1] 何希杰.挖泥泵葉片型線設(shè)計[J].通用機械，2003（3）：18-20.HE Xi-jie.Design for blade lines of dredge pump[J].General Machinery,2003(3):18-20.

[2] 高瑛，李淑紅，李金生.船用挖泥泵內(nèi)部流動研究[J].水泵技術(shù)，2005（2）：29-30.GAO Ying,LI Shu-hong,LI Jin-sheng.Study on internal flow of marinedredgepump[J].Pump Technology,2005(2):29-30.

[3] 彭光杰，王正偉，楊文.挖泥泵數(shù)值仿真與實測比較[J].流體機械，2005（12）：19-22.PENGGuang-jie,WANGZheng-wei,YANGWen.Simulation and measurement of dredge pump[J].Fluid Machinery,2005(12):19-22.

[4] 張曉娜，周凌九，彭光杰.數(shù)值模擬的離心挖泥泵葉輪優(yōu)化設(shè)計[J].水泵技術(shù)，2005（6）：35-37.ZHANG Xiao-na,ZHOU Ling-jiu,PENG Guang-jie.Numerical simulation for impeller optimized design of centrifugal dredge pump[J].Pump Technology,2005(6):35-37.

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[6] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計[M].北京：中國宇航出版社，2011.GUANXing-fan.Theory and design of morden pumps[M].Beijing:China Astronautic Publishing House,2011.

[7] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.WANG Fu-jun.Analysis on computational fluid dynamics[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004.

[8]Fluent inc.FLUENTUser′Guide[M].Fluent Inc.,2003.

[9]GB/T 3216—2005，回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗收試驗1級和2級[S].GB/T 3216—2005,Rotodynamic pumps-Hydraulic performance acceptancetests-Grades1 and 2[S].