長(zhǎng)獅7號(hào)絞吸式挖泥船泥泵的改造升級(jí)

劉永明，孔華杰，魯寧斌，焦修勤，黃睿，徐蕓

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第十二研究所，陜西 咸陽(yáng) 713102；2.長(zhǎng)江南京航道工程局，江蘇 南京 210011）

0 引言

挖泥船在港口建設(shè)、航道建設(shè)、填海造地工程中發(fā)揮著重要作用，如何提高絞吸式挖泥船的產(chǎn)量和排距，泥泵起著關(guān)鍵作用。

長(zhǎng)獅7號(hào)絞吸式挖泥船是2007年購(gòu)買(mǎi)的二手船，該船在設(shè)計(jì)、建造、設(shè)備配套等方面均存在諸多先天性不足，導(dǎo)致使用過(guò)程中挖泥船的時(shí)間利用率及施工效率低下，前期已進(jìn)行了大量的技術(shù)改造工作，船舶性能有所提升，但泥泵效率仍然不高。

為了進(jìn)一步提升該船施工效率，降低能耗，2016年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了CS7-S（水下泵）和CS7-C（艙內(nèi)泵）型泥泵，對(duì)該船泥泵進(jìn)行升級(jí)改造。

1 原泥泵系統(tǒng)的主要問(wèn)題

文中分析的長(zhǎng)獅7號(hào)絞吸式挖泥船配置了2臺(tái)泥泵，包括1臺(tái)水下泵和1臺(tái)艙內(nèi)泵。原泥泵系統(tǒng)存在的問(wèn)題如下：

1）2臺(tái)泥泵葉片均為圓弧型圓柱式葉片[1]，泥泵效率較低，最高效率低于75%。

2）水下與艙內(nèi)泥泵匹配性欠佳，串聯(lián)工作的兩泵在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)3.5 m3/s時(shí)，水下泵工作在高效區(qū)，而艙內(nèi)泵并沒(méi)有工作在高效區(qū)，泥泵系統(tǒng)整體效率低，原泥泵系統(tǒng)清水流量效率曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 原泥泵系統(tǒng)清水流量效率曲線(xiàn)Fig.1 The flow-efficiency curves for water of original dredge pump system

2 新泥泵數(shù)值分析

新泥泵葉片設(shè)計(jì)成效率更高的對(duì)數(shù)螺旋線(xiàn)形扭曲式葉片，同時(shí)葉片進(jìn)口向泵吸口延伸，如圖2所示，這樣有利于提高泥泵的汽蝕性能。

圖2 新舊泥泵葉輪三維模型Fig.2 Impellers 3-D models for new and original dredge pumps

1）數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用三維定常不可壓縮雷諾時(shí)均NS方程和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型。計(jì)算方法上采用時(shí)間推進(jìn)法來(lái)計(jì)算流場(chǎng)中的各流動(dòng)參數(shù)，離散格式上采用中心差分格式，為提高收斂速度，采用當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)和多重網(wǎng)格技術(shù)。在差分格式中，壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式，速度項(xiàng)、湍動(dòng)能項(xiàng)和湍動(dòng)能黏系數(shù)項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分格式。近壁區(qū)使用速度分布對(duì)數(shù)律的固壁函數(shù)；采用SIMPLEC算法，實(shí)現(xiàn)壓力和速度的耦合求解；在迭代計(jì)算時(shí)，應(yīng)用亞松弛迭代，在求解壓力項(xiàng)時(shí)，松弛系數(shù)項(xiàng)為0.3，速度項(xiàng)為0.7，湍動(dòng)能項(xiàng)為0.8，湍動(dòng)能耗散率項(xiàng)為0.8。

2）邊界條件

計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口邊界上，采用速度進(jìn)口，速度為均勻連續(xù)的邊界條件；在計(jì)算域的出口邊界上，采用自然出流；固壁邊界為絕熱條件，葉輪為轉(zhuǎn)動(dòng)邊界；臨近固壁的區(qū)域，采用壁面函數(shù)，葉片表面、前后蓋板等固壁為無(wú)滑移邊界條件。

3）結(jié)果分析

利用CFD軟件Fluent模擬泥泵的流場(chǎng)，得到了2臺(tái)新泥泵CS7-S（水下泵）和CS7-C（艙內(nèi)泵）的清水特性曲線(xiàn)。其中，CS7-S清水效率曲線(xiàn)如圖3所示，CS7-C清水效率曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 CS7-S（水下泵）清水性能曲線(xiàn)Fig.3 Water performance curves of CS7-S(underwater pump)

圖4 CS7-C（艙內(nèi)泵）清水性能曲線(xiàn)Fig.4 Water performance curves of CS7-C(inboard pump)

2臺(tái)新泥泵不僅單泵效率高，而且匹配合理[2]，大大提高了泥泵系統(tǒng)的效率，使串聯(lián)工作的兩泵能同時(shí)工作在高效區(qū)。

4）泥泵工作點(diǎn)計(jì)算

泥泵系統(tǒng)的流量排壓曲線(xiàn)與不同排距的管阻曲線(xiàn)的交點(diǎn)即為該工況下泥泵系統(tǒng)的工作點(diǎn)[3]。泥泵排壓受混合物濃度、疏浚土顆粒大小影響，同時(shí)國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)泥泵葉輪直徑的大小也對(duì)泥泵排壓產(chǎn)生重要影響，大型泥泵比小型泥泵的壓頭損失要小得多。泥泵壓頭計(jì)算公式如下：

式中：Hm為混合物的排壓；ρm為混合物密度；HR為排壓比例系數(shù)；Hw為清水排壓。排壓比例系數(shù)HR修正了混合物的濃度、疏浚土粒徑和泥泵葉輪直徑對(duì)泥泵排壓造成的影響[4]。

對(duì)于排距較長(zhǎng)的絞吸式挖泥船，局部阻力損失可以忽略不計(jì)，管路阻力損失可以簡(jiǎn)化為長(zhǎng)直管內(nèi)定長(zhǎng)流動(dòng)的沿程阻力損失，清水的管道壓力降可以利用魏斯巴赫公式計(jì)算：

式中：i為清水管道壓力降；f為摩擦因數(shù)；L為管道長(zhǎng)度；D為管道內(nèi)徑；ρw為清水密度；V為清水流速。Newitt與O'Brien、Folsom、Durand等人得到了泥漿管道壓力降與清水管道壓力降的關(guān)系式[5-10]，即：

式中：im為泥漿管道壓力降；i為清水管道壓力降；CV為砂的體積濃度；ρs為砂的密度；ρw為清水的密度。

根據(jù)泥泵排壓曲線(xiàn)和管阻曲線(xiàn)就可以得到不同工況下的泥泵系統(tǒng)工況點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)工況的疏浚介質(zhì)為中細(xì)砂d50=0.236 mm，排高6 m，排泥管直徑φ900，泥漿濃度為35%，泥泵系統(tǒng)的流量排壓管阻曲線(xiàn)如圖5所示，挖深25 m時(shí)各工作點(diǎn)的中細(xì)砂產(chǎn)量預(yù)測(cè)見(jiàn)表1。

排距在2～8 km范圍內(nèi)新泥泵系統(tǒng)的性能良好，提高了泥泵系統(tǒng)在中長(zhǎng)排距工況的疏浚能力。

3 泥泵系統(tǒng)改造后清水試驗(yàn)

完成新泥泵安裝后，在南通某船廠(chǎng)進(jìn)行了清水試驗(yàn)，如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的新泥泵清水性能曲線(xiàn)如圖7、圖8所示。

圖5 新舊泥泵系統(tǒng)流量排壓管組曲線(xiàn)Fig.5 Flow-discharge pressure&pipe resistance curves in new and original dredge pump systems

表1 新舊泥泵系統(tǒng)不同排距下中細(xì)砂產(chǎn)量預(yù)測(cè)Table 1 Production forecast of medium and fine sand under different distance of new and original dredge pump

圖6 新泥泵清水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.6 New dredge pumps water test photo

通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的性能曲線(xiàn)與模擬的性能曲線(xiàn)，完成了新泥泵水力性能的驗(yàn)證。當(dāng)流量為3.5 m3/s時(shí)艙內(nèi)泵出口壓力實(shí)測(cè)值為1 MPa（10 bar）（改造前約為0.86 MPa（8.6 bar））。兩泵性能參數(shù)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值1.03 MPa（10.3 bar）基本吻合，符合改造預(yù)期。

圖7 新泥泵CS7-S清水性能曲線(xiàn)Fig.7 Water test performance curves of new dredge pump CS7-S

圖8 新泥泵CS7-C清水性能曲線(xiàn)Fig.8 Water test performance curves of new dredge pump CS7-C

4 結(jié)語(yǔ)

1）改造后2臺(tái)新泥泵效率高，泥泵最高效率達(dá)到86%以上，兩泵匹配性合理，高效區(qū)重合，在提高了泥泵單泵效率的同時(shí)保證了2臺(tái)泵同時(shí)高效運(yùn)行。為今后的舊船泥泵改造提供了一種新的思路。

2）長(zhǎng)獅7號(hào)絞吸式挖泥船改造后施工效率得到了大幅提升，增強(qiáng)了對(duì)中長(zhǎng)排距施工的適應(yīng)性和競(jìng)爭(zhēng)能力，實(shí)現(xiàn)了船舶的節(jié)能降耗，達(dá)到了泥泵改造升級(jí)的目的。