大型船用清淤裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與性能分析

馬盼盼， 戴之祥， 王 飛， 劉和明

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230011；2.明光市留香泵業(yè)有限公司，安徽 明光 239400)

離心泵被廣泛應(yīng)用于江河湖海的清淤疏浚作業(yè)，但由于工作環(huán)境的惡劣，造成核心部件極易因磨損而降低使用壽命，因此需要對(duì)復(fù)雜工作環(huán)境下泵關(guān)鍵部件進(jìn)行深入研究設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[1]通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方式分析了空化對(duì)超低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵壓力脈動(dòng)的影響；文獻(xiàn)[2]分析了葉片以及葉輪對(duì)離心泵振動(dòng)噪聲方面的影響；研究成果主要集中于離心泵有關(guān)性能分析方面，而對(duì)適用于船用清淤設(shè)備的設(shè)計(jì)以及離心泵流固兩相流分析等方面尚未進(jìn)行深入研究。

本文以大型船用離心泵為研究對(duì)象，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，基于此展開內(nèi)部流場(chǎng)分析及性能試驗(yàn)。

1 清淤裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

葉輪與蝸殼是離心泵這種船用清淤裝置的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響離心泵的工作效率和使用壽命。

1.1 葉輪設(shè)計(jì)

本次所設(shè)計(jì)的離心泵葉輪如圖1所示。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

葉輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有葉輪出口寬度和出口直徑、渦室入口寬度和基圓直徑等，計(jì)算如下：

渦室入口寬度b3=b2+0.05D2

基圓直徑D3=(1.03～1.08)D2

其中，n為額定轉(zhuǎn)速；Q為流量；H為揚(yáng)程。

最終求得葉輪尺寸如表1所列。

表1 離心泵主要尺寸參數(shù)

根據(jù)所求尺寸，在繪圖軟件中建立葉輪的三維模型，如圖2所示。

圖2 葉輪三維數(shù)模

1.2 蝸殼設(shè)計(jì)

在完成葉輪設(shè)計(jì)后還需設(shè)定隔舌安放角和渦室各斷面面積，以完成整個(gè)蝸殼的設(shè)計(jì)。

1.2.1 隔舌安放角

隔舌位于渦室螺旋始端，具體隔舌安放角φ0可按文獻(xiàn)[6]獲得。

1.2.2 渦室斷面參數(shù)計(jì)算

為便于設(shè)計(jì)，在渦室內(nèi)部取8個(gè)斷面[4]，采用速度系數(shù)法求解第Ⅷ斷面面積，其余各斷面面積在第Ⅷ斷面的面積的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)定。

其中,v3為渦室斷面的平均速度；k3為速度系數(shù)。

其余各斷面的面積按渦室各斷面速度相等確定。

根據(jù)相關(guān)參數(shù)幾何關(guān)系，便可得出各斷面的尺寸，進(jìn)而建立蝸殼的三維模型，如圖4所示。

圖4 離心泵蝸殼

2 離心泵流固耦合分析

2.1 流體模型建立

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，針對(duì)離心泵進(jìn)行整體的流體仿真[5]。由于所設(shè)計(jì)的離心泵整機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以在建立模型上對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，并將簡(jiǎn)化后模型導(dǎo)入到軟件中。設(shè)定砂石密度為1500kg/ ，熱導(dǎo)系數(shù)0.78W/m·K，比熱容為1050J/kg·K。流體域網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 流體域網(wǎng)格

2.2 邊界條件設(shè)置

外層壁面的邊界條件設(shè)置為無滑移；關(guān)于壓力與速度的耦合，采用求解器中的SIMPLE算法；對(duì)流區(qū)域選擇一階迎風(fēng)作為離散方式；各個(gè)控制方程RMS收斂依據(jù)是1e-5。選用MSAM模型為控制方程；計(jì)算精度設(shè)置為Double，時(shí)間步長為2×10-4s。

2.3 流固耦合分析結(jié)果

根據(jù)砂石的參數(shù)，設(shè)置仿真時(shí)長為1s，獲取該時(shí)間段內(nèi)砂石在離心泵殼體內(nèi)的渦流、體積變化情況，流體仿真結(jié)果如下圖6所示。

圖6 流體仿真結(jié)果

由以上仿真，可得出離心泵在工作過程中其內(nèi)部流場(chǎng)變化有以下規(guī)律：隨著時(shí)間的增加，葉輪不斷攪動(dòng)泵腔體內(nèi)的液體，靠近殼體底部位置壓力較其他部位更大；葉輪周圍的渦流也隨仿真時(shí)間的增加而明顯增大。

仿真結(jié)果表明，離心泵殼體底部和葉輪周圍是流體壓力和速度變化較大的位置，因此在后續(xù)性能測(cè)試中需注意其變化，以保證測(cè)試工作能穩(wěn)定進(jìn)行，從而獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。

3 吸砂設(shè)備性能試驗(yàn)

3.1 測(cè)試系統(tǒng)搭建

為驗(yàn)證清淤關(guān)鍵設(shè)備的性能指標(biāo)，結(jié)合GB/T3216-2016中的試驗(yàn)方法，搭建離心泵性能測(cè)試系統(tǒng)。

整個(gè)系統(tǒng)由渦輪流量傳感器、帶電繞組溫升測(cè)試儀、單/三相電參數(shù)測(cè)量儀、流量轉(zhuǎn)速測(cè)試儀、壓力揚(yáng)程測(cè)試儀及壓力變送器、壓力表等組成。

3.2 性能試驗(yàn)

所有測(cè)量均在穩(wěn)定條件下運(yùn)行，且所有性能測(cè)試試驗(yàn)至少取5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)允許轉(zhuǎn)速在規(guī)定轉(zhuǎn)速的50%～120%范圍內(nèi)變動(dòng)。

按規(guī)定要求進(jìn)行多次性能測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值求解，結(jié)果見表2。

表2 離心泵性能測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果說明本次所設(shè)計(jì)的離心泵各指標(biāo)均符合國標(biāo)要求，整體性能比較優(yōu)異。

4 結(jié) 論

根據(jù)船用清淤設(shè)備特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一套大型船用離心泵。基于設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真分析與性能測(cè)試，得出結(jié)論如下：

(1)在工作狀態(tài)時(shí)離心泵殼體底部位置壓力較大，且隨著工作時(shí)間的增加，葉輪周圍速度和渦流逐漸增大；

(2)基于仿真結(jié)果對(duì)離心泵進(jìn)行性能測(cè)試，離心泵的流量、揚(yáng)程、溫度等各項(xiàng)指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驗(yàn)證了離心泵設(shè)計(jì)的合理性。