疏浚船用離心式泥泵葉輪改型研究及應(yīng)用

莊海飛，劉明明，金邦雄

（1.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208，2.長(zhǎng)江武漢航道工程局，武漢 430014）

0 引言

泥泵作為挖泥船輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，廣泛應(yīng)用于絞吸挖泥船、耙吸挖泥船以及接力泵船等疏浚船舶中。疏浚作業(yè)中，輸送系統(tǒng)工作效率和經(jīng)濟(jì)性隨工況變化會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)。土質(zhì)、排距、輸送濃度等因素均會(huì)影響施工產(chǎn)量和效率［1］，而泥泵工況點(diǎn)也隨著土質(zhì)、排距、輸送濃度等的不同而發(fā)生變化［2］。

泥泵性能的優(yōu)劣直接影響著疏浚船舶的施工效率，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)泥泵水力性能進(jìn)行了研究。彭光杰比較了泥泵的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)外特性曲線和實(shí)測(cè)曲線，結(jié)果表明揚(yáng)程符合很好［3］；楊赟卿采用CFD方法，對(duì)葉片葉型和葉片數(shù)量對(duì)泥泵內(nèi)部壓力和速度的影響進(jìn)行了流場(chǎng)分析［4］；筆者曾結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法對(duì)挖泥船泥泵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了泥泵效率［5］，4 500 m3耙吸挖泥船“航浚4006”輪的泥泵改造后，泥泵效率由原來(lái)的60%提高到85%，節(jié)能增效非常明顯［6］。

1 短排距工況下泥泵存在的問題

當(dāng)絞吸挖泥船在短排距情況施工時(shí)，排泥管路特性曲線與泵特性曲線交點(diǎn)向大流量偏移，流量過大會(huì)造成原動(dòng)機(jī)超載，施工無(wú)法正常進(jìn)行，在這種情況下一般采取以下措施。

1.1 降低泥泵轉(zhuǎn)速

此方法適用于變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的泥泵，而目前國(guó)內(nèi)大多絞吸挖泥船泥泵驅(qū)動(dòng)方式普遍采用柴油機(jī)經(jīng)齒輪減速箱直接驅(qū)動(dòng)泥泵，降低泥泵轉(zhuǎn)速要通過降低泥泵柴油機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，以適應(yīng)短排距工況。此法較為經(jīng)濟(jì)，但柴油機(jī)不能長(zhǎng)期在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，且調(diào)速范圍較?。?］，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)受到限制。

1.2 增加排泥管阻力

可采用增加排泥管出口高度、增加排泥管長(zhǎng)度、彎頭數(shù)、縮口等增加排泥管線的阻力，施工中通常采用縮口來(lái)調(diào)節(jié)泥泵工況點(diǎn)。此法雖然簡(jiǎn)便易行，但過小的縮口相當(dāng)于“消能器”，能量浪費(fèi)很大。

1.3 切割葉輪直徑

泥泵葉輪直徑切削后，泥泵的流量、揚(yáng)程、功率相應(yīng)變化，以適應(yīng)短排距管線的施工要求。此措施經(jīng)濟(jì)收益較好，在一定范圍內(nèi)適合短排距長(zhǎng)期施工。

綜上3種泥泵工況調(diào)節(jié)方法，筆者認(rèn)為，更換相適應(yīng)的葉輪對(duì)提高施工效率效果較好。

2 泥泵葉輪改型設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)行工況及參數(shù)確定

原葉輪的泥泵性能參數(shù)：流量10 000 m3/h，揚(yáng)程79 m，功率2 850 kW；調(diào)研短排距工況下的泥泵性能需求：流量14 000 m3/h，揚(yáng)程57 m，功率2 700 kW。對(duì)比改型葉輪和原葉輪的泥泵性能參數(shù)，泥泵功率相近，但改型葉輪流量提高40%，揚(yáng)程降低約28%。

根據(jù)3 500 m3/h絞吸挖泥船“新海鯤”輪的施工需求，在短排距工況下設(shè)計(jì)“小葉輪”，降低泥泵揚(yáng)程，如采用葉輪葉片切割方案，需要將葉輪由原直徑2 520 mm切割為直徑2 200 mm，在14 000 m3/h，揚(yáng)程為57.1 m，葉輪切削量較大，泥泵效率降低也較多，效率僅為67%，葉輪葉片直徑切割方案不可行。

在不改變?nèi)~輪外徑，葉輪進(jìn)口直徑和葉輪出口寬度等尺寸的條件下，可通過修改葉片數(shù)和優(yōu)化葉片型線的方法來(lái)降低泥泵揚(yáng)程，且提高泥泵效率，改型葉輪的泥泵效率目標(biāo)為80%。

2.2 葉輪葉片改型設(shè)計(jì)

泥泵基本尺寸：進(jìn)口900 mm，排口770 mm，葉輪外徑2 520 mm，葉輪出口流道寬度435 mm，葉片數(shù)3，與原5葉片葉輪相比，3葉片包角增大，為了提高效率，泥泵葉片應(yīng)當(dāng)采用設(shè)計(jì)扭曲葉片的方法來(lái)繪型［7-12］，本葉片采用保角變換法設(shè)計(jì)扭曲葉片。泥泵轉(zhuǎn)速257 r/min。表1為改型前的5葉片葉輪和改型后的3葉片葉輪部分參數(shù)對(duì)比。圖1和圖2分別為改型前的5葉片葉輪和改型后的3葉片葉輪三維模型，葉輪均為閉式葉輪，為顯示葉片形狀，三維模型中去掉了葉輪的前蓋板。

表1 葉輪主要參數(shù)對(duì)比

圖1 改型前葉輪三維模型

圖2 改型后葉輪三維模型

3 流場(chǎng)仿真與性能預(yù)測(cè)

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)已被廣泛用于疏浚泥泵的內(nèi)部流動(dòng)分析及其性能預(yù)測(cè)，其成本低，效率高，尤其是在很難具備大型泥泵的室內(nèi)試驗(yàn)條件的情況下，數(shù)值模擬正逐步代替試驗(yàn)。應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，不僅可以節(jié)省試驗(yàn)資源，還可顯示許多場(chǎng)特性細(xì)節(jié)［13］。

3.1 三維建模及邊界條件

為保證精度，本模擬采用蝸殼和葉輪耦合求解的方法。DRC257-900型泥泵泥泵全流道模型由進(jìn)口、葉輪、泵體三部分組成（圖3），進(jìn)出口延長(zhǎng)以保證進(jìn)出口段流動(dòng)為均勻?qū)ΨQ流。數(shù)值模擬采用ANSYS18.1軟件，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對(duì)泥泵多個(gè)流量工況的三維流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，采用FLUENT模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD-Post中進(jìn)行后處理。

圖3 泥泵DRC257-900水體三維示意

3.2 流場(chǎng)分析

從圖4看，流體在泵殼隔舌附近子午面的相對(duì)速度方向均沿著流道的前進(jìn)方向，且沒有明顯的漩渦區(qū)，表明該葉片設(shè)計(jì)有利于提高泵的水力效率；從圖5看，沿著葉輪半徑方向的流體壓力梯度變化比較均勻；從圖6看，葉片進(jìn)口背面無(wú)大面積低壓區(qū)域，表明該泵的抗汽蝕性能較好。總體來(lái)說(shuō)，流場(chǎng)分布合理，預(yù)示著泵的能量轉(zhuǎn)化效率高。

圖4 隔舌附近相對(duì)速度矢量

圖5 子午面壓力分布云圖

圖6 葉片壓力分布云圖

3.3 性能曲線分析

結(jié)合CFD流場(chǎng)模擬計(jì)算，得到葉輪多次優(yōu)化后的泥泵水力方案，并通過數(shù)值模擬得到轉(zhuǎn)速257 r/min的預(yù)測(cè)外特性曲線，額定工況點(diǎn)的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在流量點(diǎn)12 000，14 000，16 000 m3/h，清水效率分別達(dá)到了77%，81%，83%，與切割葉輪相比，效率分別提高7%，14%，18%。

圖7 泥泵性能曲線對(duì)比

4 應(yīng)用實(shí)例與效益分析

為短排距設(shè)計(jì)制造的3 500 m3/h絞吸挖泥船艙內(nèi)泵3葉片葉輪應(yīng)用在“新海鯤”輪，用于福建莆田石門澳施工工程，表2為相近排距下的平均施工數(shù)據(jù)。

表2 “新海鯤”輪施工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由表2可見，在1.5 km左右的排距下，排口直徑均為850 mm，雙泵施工比單泵施工產(chǎn)量提高80.0%；雙泵施工工況，排口直徑850 mm比排口直徑600 mm的產(chǎn)量提高34.1%；因此在排距1.5 km左右，艙內(nèi)泵安裝小葉輪后可與水下泵串聯(lián)施工，排口未使用縮口，提高了產(chǎn)量，且避免了能量浪費(fèi)。

綜上，“新海鯤”輪在粗砂土質(zhì)、1.5 km排距工況下，安裝了艙內(nèi)泵改型葉輪之后，采用雙泵串聯(lián)的方式作業(yè)，無(wú)縮口，與安裝縮口相比，產(chǎn)量得到明顯提高，驗(yàn)證了該短排距葉輪的水力設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合CFD數(shù)值模擬對(duì)泥泵葉輪進(jìn)行葉片改型優(yōu)化，葉片數(shù)由5改為3，并重新設(shè)計(jì)了三維扭曲葉片，模擬揚(yáng)程達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，最高清水效率83%。

（2）葉輪減少葉片數(shù)的同時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大葉片包角，以提高泥泵效率。

（3）改型葉輪得到工程應(yīng)用，1.5 km排距工況，無(wú)論與單泵施工還是兩泵串聯(lián)加縮口施工相比較，生產(chǎn)效率明顯提高，該葉輪提高了絞吸挖泥船在短排距的工況適應(yīng)性。

（4）與增加管線縮口相比，短排距葉輪大大減少功率損耗，且根據(jù)排距對(duì)泥泵揚(yáng)程的需要，葉輪可通過個(gè)性化設(shè)計(jì)和水力優(yōu)化，保證較高的水力效率。