800WN泥泵增加前封水裝置設計與改造

蔣嘉偉，王鵬

（中交海洋建設開發(fā)有限公司，天津 300457）

1 泥泵參數(shù)、磨損原因分析

目前疏浚市場常用800WN系列泥漿泵，該泵的性能參數(shù)：n=340r/min；H=58M；Q=11000M3/H；（清水流量）。通常，一個泥泵葉輪在其使用壽命內(nèi)需要配置2個肩甲環(huán)、4個前護板、3~4個進口襯套、1個后護板。從更換的比率來看，易損壞的是前護板、肩甲環(huán)、進口襯管，根據(jù)實物磨損的情況及泥泵的結(jié)構(gòu)原理，現(xiàn)對其磨損的機理分析如下。

在800WN泥泵上，葉輪的主工作葉瓣數(shù)量為3瓣，泥泵只有后封水而沒有設置前封水，而在泥泵吸入口端的葉墻上設有9個徑向附葉瓣，此9個附葉瓣的作用就是與肩甲環(huán)構(gòu)成半開式葉輪離心泵，其產(chǎn)生的壓力用以平衡泥泵蝸殼流道內(nèi)的壓力，可以認為在穩(wěn)定工況下，由9瓣附葉瓣與肩甲環(huán)構(gòu)成的半開式葉輪離心泵所產(chǎn)生的壓頭可以平衡3瓣主葉輪在蝸殼主流道內(nèi)的生成的壓頭，使附葉瓣與肩甲環(huán)之間的流體無徑向流動。一般來說，泥泵在進入疏浚時的過程為：掛離合→泵注清水→疏浚泥沙→注清水→列解泵。如果這個過程過渡平穩(wěn)而且泥泵在正常疏浚時工況穩(wěn)定，則可以認為附葉瓣產(chǎn)生的壓力與主葉瓣產(chǎn)生的壓力始終平衡，葉輪與肩甲環(huán)之間總是保持清水的環(huán)境。但實際工作時，由于絞刀吸口經(jīng)常堵塞，引起泥泵的蝸殼內(nèi)壓力波動、附葉瓣的磨損引起泵效降低，都將破壞這種壓力平衡，使蝸殼流道中含泥沙的流體灌入附葉瓣、肩甲環(huán)以及葉輪、前護板（進口襯套）之間，由于葉輪與前護板（進口襯套）之間的安裝間隙只有1.5~3mm，所以直徑較大的沙粒將在這里堆積，形成較嚴重的磨粒磨損。

2 相關(guān)的水力計算

為獲得相關(guān)的水利計算，下列離心泵理論計算時的各種假設仍需沿用：①離心泵的葉輪是無限多和無限薄，流體質(zhì)點流動是沿葉瓣的。②流體流動無撞擊、摩擦、渦流等水利損失。③半開式葉輪與閉式葉輪泵水采用相同的理論計算方式。泥泵組裝圖見圖1。

圖1

根據(jù)泥泵的裝配圖，在泥泵封閉時，沿A→B→C→A線可建立如下伯努利方程：

式中：P吸：為泥泵吸口壓力。Z1=Z2為始、未點高度；

H主葉輪（實際）：為泥泵傳給泥漿的實際能量；

ρ：流體的密度。g：重力加速度；

ζ1：為葉輪外緣阻水環(huán)帶與肩甲環(huán)之間的狹縫局部阻力壓頭損失；

H附葉輪（實際）：為附葉輪付給流體的實際能量；

ζ2：泥泵前護板與葉輪間的狹縫局部阻力壓頭損失；

U2：是流體流出泥泵葉輪與前護板間狹縫時的速度；

對于式（2）在此我們可以認為：由于主葉輪的流道（寬350mm）與泥泵葉輪與前護板間狹縫（寬1.5~3mm）來說足夠?qū)挘蚨鳸1≈0。即得到H主葉輪（實際）-H附葉輪（實際）=

對式（3）的解釋為：在沿A→B→C→A線時，主葉輪與附葉輪所產(chǎn)生的壓頭差，用以抵消兩處局部阻力損失ζ1、ζ2和產(chǎn)生泥泵葉輪與前護板間狹縫流體的動能。引用離心泵壓頭計算理論，其理論壓頭為：

式中：U2是流體流出泥泵主葉輪時的圓周速度。

U2=3.14 nD2/60=3.14×340×1.94/60=34.52m/s。

C2r是流體流出葉輪的徑向流速，可根據(jù)泥泵的理論排量算出，

β2是流體流出泥泵主葉輪時C2于w2和的夾角。（通過對泥泵葉輪放樣測得β2=1590）。

將U2、C2r、β2值代入式（4）得主葉輪理論揚程為：H理論=109.85m。

在實際揚程計算時還要考慮渦旋系數(shù)K2CU和水力效率ηh。

ηh=0.7~0.9（此處取0.9），K2CU可由普菲立節(jié)爾公式計算：

式（6）中各符號意義：Z=3為葉瓣數(shù)量；ψ實驗系數(shù)，D1、D2是葉輪葉瓣和內(nèi)、外徑；實驗系數(shù)ψ取值范圍為0.8~1，或由式ψ=（0.55~0.65）+0.6sin(1800-β2)=0.65+0.215=0.865。 代 入 式（6）計算值得K2CU=0.58，代入式（5）得H實際=109.85×0.9×0.58=57.1m。

由計算結(jié)果可以看出，泥泵揚程序與產(chǎn)品標稱性能接近。

故因附葉輪與肩甲環(huán)之間的安裝間隙是1.5~3mm，可導致泵效下降，即ηh=0.7~0.9（此處取低值ηh=0.7），渦旋系數(shù)K2CU用式（6）計算后結(jié)果為K2CU=0.76。

H附 葉 輪（ 實 際 ）=H理 論，K2CUηh=101.18×0.76×0.7=53.8m，因此，H主葉輪（實際）-H附葉輪（實際）=3.3m。在此再引入式（3）H主葉輪（實際）-H附葉輪（實際）如果忽略掉ζ1（ζ1=0，這樣可導致計算的封水量增加，有利于更可靠封水）則式，（3）可寫為H主葉輪（實際）-H附葉輪（實際）

在式（3-1）中，我們需解方程求出流出葉輪與前護板之間狹縫流體的流出速度U2后，才能測算出可靠封水的流量。但這里有一個隱函數(shù)ζ2，是一個與流速、流量有關(guān)的隱函數(shù)，因此對該方程不易求解。為使問題得到簡化，我們引入兩平行板之間差壓流體流動的相關(guān)理論對平行板間流量進行測算。

式中：a為平行板的長度；b為平行板間距；μ是流體的動力粘度；l是平行板寬度。

取兩個環(huán)狀截面①面和②面為研究對象（見總裝圖），葉輪與前護板的狹縫可近似等效成兩平行板，平行板的長度為a=πD2=3.14×1.08=3.39m；平行板間距b=1.5~3mm(此處取b=0.003m,為最大安裝間隙)；平行板寬(式中D1=870mm，D2=1080mm是兩環(huán)狀面的直徑)==0.105m。水在15℃時的動力粘度μ=1.140N.s/m2。

平行板兩端的壓差Δp=H主葉輪（實際）-H附葉輪（實際）=3.3米（水頭）=32340Pa代入（式8）中得：Q=0.002m3/s≈7.5m3/h。

以上是通過對主、附葉輪產(chǎn)生的水力壓差而造成葉輪于前護板間隙處的泄漏量，為確?？煽糠馑?，將注入的封水壓力與泵吸口壓力之間的壓差保持在0.1MPa，此時的葉輪于前護板間隙處的泄漏量通過（式8）計算為Q≈23m3/h，因此，選用的封水泵的排量可在25~30m3/h即可，封水泵的壓頭應視不同泥泵吸口的壓力而選擇。3500絞吸船通常為三臺泵串聯(lián)，水下泵的P吸口（相對壓力）為-0.06~-0.04MPa，故封水泵可選用Q=25m3/h，H=5~10m的封水泵；艙內(nèi)1#泵P吸口=0.18~0.3MPa，封水泵可選用Q=25m3/h，H=35~40m，艙內(nèi)2#泵P吸口=0.6~0.8MPa，封水泵可選用Q=25m3/h，H=85~95m。

3 泥泵局部改造

（1）改造葉輪。在附葉輪的外緣增設封水保壓環(huán)帶，設置此環(huán)帶有兩個作用。其一，此環(huán)帶與肩甲環(huán)之間的間隙為1.5~3mm，可有效防止大顆粒磨料或養(yǎng)殖廢棄物塞入葉輪與肩甲環(huán)之間。其二，可保證前端封水有效性。（2）改造前護板。在前護板的凹腔處設置通水孔（3~6個），以將封水引到前護板與葉輪之間。（3）在小泵蓋上鉆孔（3~6個），將封水引入前護板凹腔，根據(jù)800WN泥泵圖紙分析，上述三點容易做到。