大型絞吸挖泥船短排距葉輪研發(fā)及適應(yīng)性研究

劉明明，莊海飛，胡京招

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 200082）

0 引言

水下泵和艙內(nèi)泵作為大型絞吸挖泥船的基本配置，其性能良好與否直接制約著船舶的疏浚效率[1-2]。目前，大型絞吸挖泥船配置的水下泵一般為中壓泥泵，艙內(nèi)泵一般為高壓泥泵，雙泵串聯(lián)進(jìn)行工作，主要用于長排距工況，而當(dāng)排距較短時(shí)，只能通過使用1臺水下泵進(jìn)行疏浚作業(yè)，此時(shí)船舶挖掘產(chǎn)量將會大大降低，從而延長了施工周期。

為解決上述問題，提高船舶在短排距工況施工的疏浚效率，通常做法包括3種：1）降低泥泵轉(zhuǎn)速[1]，然而，除了新造船舶采用變頻電機(jī)外，目前大部分老舊船舶配備柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍受限，且長期處于低速運(yùn)行將極大降低其使用壽命；2）切割葉輪外徑的方法[3-7]，由于切割葉輪使設(shè)計(jì)工況點(diǎn)發(fā)生偏移，揚(yáng)程降低，但切割葉輪同時(shí)也導(dǎo)致泥泵效率下降，切割比例越大，效率下降越為明顯；3）在排出管路出口加縮口的方法[8]，該方法直接增加了管阻損失，增加了能耗，同時(shí)降低了疏浚效率，此外，楊正軍等[9]設(shè)計(jì)的小葉輪用來代替切割葉輪，但泥泵最高效率僅有84%。

針對上述問題，以大型絞吸挖泥船“新海燕”輪為研究對象，結(jié)合切割定律、保角變換法以及數(shù)值模擬等手段，開展了包括水下泵和艙內(nèi)泵在內(nèi)的短排距葉輪設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，以提高船舶對短排距工況的適應(yīng)性，同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)[10]中的泥漿揚(yáng)程計(jì)算方法，對水下泵和艙內(nèi)泵短排距葉輪應(yīng)用前、后的工況進(jìn)行預(yù)測和分析，為疏浚工程施工提供指導(dǎo)。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

“新海燕”輪現(xiàn)有泥泵參數(shù)如下：對于水下泵，設(shè)計(jì)流量Q=12 000 m3/h，揚(yáng)程H=39.5 m，效率η=86%，轉(zhuǎn)速n=330 r/min，葉輪外徑D2=1 720 mm，葉片數(shù)為3；對于艙內(nèi)泵，設(shè)計(jì)流量Q=12 000 m3/h，揚(yáng)程H=77.5 m，效率η=86%，轉(zhuǎn)速n=325 r/min，葉輪外徑D2=2 210 mm，葉片數(shù)為3。為滿足船舶對疏浚工程短排距工況的需求，提出了短排距葉輪的設(shè)計(jì)要求，即：在維持泥泵效率的同時(shí)，降低揚(yáng)程，匹配短排距工況。由于水下泵在承擔(dān)將泥漿吸入管路的任務(wù)外，同時(shí)要確保泥漿進(jìn)入艙內(nèi)泵前，艙內(nèi)泵吸口壓力保持一定的正壓，因此，水下泵葉輪揚(yáng)程降低幅度受限。艙內(nèi)泵主要承擔(dān)將泥漿沿排出管路輸送至岸端，其揚(yáng)程與排距直接相關(guān)。因此，艙內(nèi)泵葉輪揚(yáng)程降低幅度需與短排距工況要求相適應(yīng)。短排距水下泵和艙內(nèi)泵具體設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 短排距泥泵設(shè)計(jì)目標(biāo)Table 1 Design objective of dredge pump with short discharge

2 葉輪設(shè)計(jì)過程

為保證葉輪的通用性，葉輪軸面投影圖保持不變，僅改變?nèi)~輪外徑和葉片型線。葉輪外徑通過低比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪的切割定律[11]（見式（1）、式（2））近似取整得到，優(yōu)化設(shè)計(jì)水下泵和艙內(nèi)泵短排距葉輪外徑值分別為1 650 mm和2 010 mm。

葉片型線采用保角變換法[11]進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，設(shè)計(jì)葉片為扭曲型，設(shè)計(jì)方案對葉片進(jìn)口參數(shù)修改較小，主要對影響泥泵效率和揚(yáng)程的葉片包角和葉片出口角進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。其中葉片包角適當(dāng)取較大值以提高泥泵效率，優(yōu)化后水下泵和艙內(nèi)泵短排距葉輪葉片包角分別為175°和182°；而葉片出口角盡量取較小值以降低泥泵揚(yáng)程，減小泵殼內(nèi)水力損失，優(yōu)化后水下泵和艙內(nèi)泵短排距葉輪葉片出口角分別為15°和12°；葉片厚度保持不變，其中水下泵葉片厚度55 mm，艙內(nèi)泵葉片厚度67 mm。同時(shí)，為了降低葉片出口的磨損，對葉片出口近葉片吸力面進(jìn)行了圓角處理，優(yōu)化后的水下泵和艙內(nèi)泵短排距葉片型線與采用直接切割方法的葉片型線對比如圖1所示。

圖1 優(yōu)化與切割葉輪葉片型線對比Fig.1 Comparison of optimized and cut blade profile

3 數(shù)值方法

泥泵計(jì)算模型包括葉輪、泵殼以及進(jìn)、出口延長段，如圖2所示，采用ICEM對計(jì)算模型劃分三棱柱-四面體混合網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)約250萬?；贏nsys Fluent軟件分別對優(yōu)化短排距葉輪和切割短排距葉輪進(jìn)行模擬分析，并采用能夠同時(shí)處理近壁區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)的SST k-ω湍流模型對泵內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，邊界條件采用速度進(jìn)口和自由出流，壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面條件設(shè)置為無滑移，離散格式與松弛因子均采用根據(jù)算法特點(diǎn)優(yōu)化得出的默認(rèn)設(shè)置。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Computation model

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 性能分析

圖3為分別采用優(yōu)化短排距葉輪和切割短排距葉輪的水下泵性能曲線，從圖中可以看出，采用優(yōu)化后的短排距葉輪的水下泵在設(shè)計(jì)流量為12 000 m3/h時(shí)，揚(yáng)程為35.1 m，效率為86.1%，滿足設(shè)計(jì)要求，其中最高效率點(diǎn)流量為11 000 m3/h，最高效率為86.9%。與切割得到短排距葉輪相比，優(yōu)化短排距葉輪揚(yáng)程曲線與切割短排距葉輪揚(yáng)程曲線相近，僅在小流量時(shí)有所區(qū)別，其中切割葉輪有存在駝峰的曲線，這可能是由于切割葉輪的葉片出口角度相對較大所引起的；從效率曲線可以看出，優(yōu)化短排距葉輪效率普遍高于切割短排距葉輪，其中在設(shè)計(jì)流量12 000 m3/h時(shí)，優(yōu)化短排距葉輪效率高了1.1%，在主要施工流量9 000～12 000 m3/h范圍內(nèi)，效率平均約高了1.3%；從功率曲線上可以看出，相對于切割短排距葉輪，主要流量范圍內(nèi)采用優(yōu)化短排距葉輪時(shí)的泥泵軸功率更低。

圖3 短排距葉輪水下泵性能曲線Fig.3 Performance curve of submerged pump with short discharge distance impeller

圖4為分別采用優(yōu)化短排距葉輪和切割短排距葉輪的艙內(nèi)泵性能曲線，從圖中可以看出，采用優(yōu)化短排距葉輪的艙內(nèi)泵在設(shè)計(jì)流量12 000 m3/h時(shí)，揚(yáng)程為57.8 m，此時(shí)效率最高，效率值為86.6%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。從揚(yáng)程曲線上可以看出，優(yōu)化短排距葉輪揚(yáng)程曲線與切割短排距葉輪揚(yáng)程曲線變化趨勢基本一致，設(shè)計(jì)流量12 000 m3/h時(shí)，優(yōu)化短排距葉輪揚(yáng)程高了1.5 m左右，在主要施工流量9 000～12 000 m3/h時(shí)，優(yōu)化短排距葉輪揚(yáng)程均高于切割葉輪，平均高了1.7 m；從效率曲線可以看出，主要施工流量范圍內(nèi)，優(yōu)化短排距葉輪效率普遍高于切割短排距葉輪，其中在設(shè)計(jì)流量12 000 m3/h時(shí)，優(yōu)化短排距葉輪效率高了2.9%，在主要施工流量時(shí)，效率平均高了3.4%；從功率曲線上可以看出，相對于切割短排距葉輪，主要施工流量下采用優(yōu)化短排距葉輪時(shí)的泥泵軸功率更低。

圖4 短排距葉輪艙內(nèi)泵性能曲線Fig.4 Performance curve of inboard pump with short discharge distance impeller

4.2 流線分布

圖5為設(shè)計(jì)流量12 000 m3/h時(shí)，分別采用優(yōu)化短排距葉輪和切割短排距葉輪時(shí)的水下泵葉輪中截面流線分布情況，從圖中可以看出，優(yōu)化短排距葉輪和切割短排距葉輪的流場相差不大，2個(gè)葉輪中截面內(nèi)均無旋渦發(fā)生，這也間接反映上述2個(gè)短排距葉輪性能相差不是很大，與上述已經(jīng)分析的優(yōu)化短排距葉輪效率較切割葉輪高了1.1%、揚(yáng)程幾乎相等的分析結(jié)果相符合，這與切割葉輪的切割部分占葉輪外徑的比例較小有關(guān)。

圖5 水下泵葉輪中截面流線分布Fig.5 Streamline distribution in the middle cross section of impeller of submerged pump

圖6為設(shè)計(jì)流量12 000 m3/h時(shí)，分別采用優(yōu)化短排距葉輪和切割短排距葉輪時(shí)的艙內(nèi)泵葉輪中截面流線分布情況，從圖中可以看出，切割短排距葉輪的3個(gè)流道內(nèi)在靠近葉片壓力面位置均有明顯的旋渦產(chǎn)生，增加了葉輪內(nèi)的水力損失，降低了泥泵的效率，而優(yōu)化短排距葉輪內(nèi)無旋渦發(fā)生，流場分布更為均勻，設(shè)計(jì)更為合理。

圖6 艙內(nèi)泵葉輪中截面流線分布Fig.6 Streamline distribution in the middle cross section of impeller of inboard pump

5 工況適應(yīng)性分析

“新海燕”輪水下泵電機(jī)輸出最大軸功率約1 750 kW，艙內(nèi)泵柴油機(jī)輸出最大軸功率約3 300 kW，電機(jī)和柴油機(jī)工作區(qū)間均處于恒扭矩區(qū)，為了提高電機(jī)和柴油機(jī)的使用壽命，限制了其最低轉(zhuǎn)速，計(jì)算時(shí)假定水下泵和艙內(nèi)泵的最低轉(zhuǎn)速分別為300 r/min和292 r/min，在此動(dòng)力配置條件下，針對常用施工土質(zhì)——細(xì)砂，其土質(zhì)參數(shù)如下：顆粒直徑0.2 mm，天然土密度1.85 t/m3，土顆粒密度2.7 t/m3，沉降速度16.7 mm/s，對分別采用現(xiàn)有泥泵和優(yōu)化短排距葉輪泥泵的不同施工工況進(jìn)行適應(yīng)性分析，其中對船舶采用單水下泵施工和雙泵施工分別計(jì)算，計(jì)算中假定輸送最大天然土濃度為40%和最大泥漿流速為8 m/s。

5.1 產(chǎn)量分析

圖7為不同排距下的最大產(chǎn)量和最大濃度計(jì)算情況。從圖中可以看出，單泵或雙泵時(shí)，隨著排距減小，濃度逐漸升高，產(chǎn)量也隨之增加。在濃度達(dá)到假定輸送最大濃度時(shí)，排距繼續(xù)減小將導(dǎo)致泥漿流量持續(xù)增大，產(chǎn)量進(jìn)一步增加，但受到泥泵轉(zhuǎn)速、最大泥漿流速以及功率等限制，排距不可能無限減小，因而存在最小值，如單泵施工時(shí)，采用原葉輪和優(yōu)化短排距葉輪所對應(yīng)的排距最小值分別為0.5 km和0.15 km；雙泵施工時(shí)，采用原葉輪和優(yōu)化短排距葉輪所對應(yīng)的排距最小值分別為2.1 km和0.7 km。從排距-產(chǎn)量曲線圖可以看出：單泵和雙泵時(shí)，采用原葉輪和優(yōu)化短排距葉輪的排距產(chǎn)量曲線存在交點(diǎn)，交點(diǎn)排距分別為0.9 km和2.2 km，表明當(dāng)排距低于交點(diǎn)排距時(shí)，相同排距下采用優(yōu)化短排距葉輪產(chǎn)量更高，排距越小，產(chǎn)量相差越大；對于同時(shí)采用原葉輪或同時(shí)采用優(yōu)化短排距葉輪時(shí)，雙泵施工時(shí)的最大產(chǎn)量要遠(yuǎn)高于單泵施工的最大產(chǎn)量；排距在0.9～2.2 km范圍內(nèi)，采用優(yōu)化短排距葉輪雙泵施工時(shí)的產(chǎn)量要大于采用原葉輪單泵施工時(shí)的產(chǎn)量。綜上可知，采用優(yōu)化短排距葉輪施工時(shí)的最優(yōu)排距范圍為0.15～2.2 km。

圖7 不同排距下的最大產(chǎn)量和最大濃度Fig.7 Maximum production and concentration under different discharge

5.2 能耗分析

圖8為不同排距、最大產(chǎn)量時(shí)泥泵單位時(shí)間內(nèi)每公里單方耗功（單位時(shí)間內(nèi)每公里單方耗功=功率/排距/產(chǎn)量，單位為kW/km/（m3/h））情況。從產(chǎn)量-每公里單方耗功曲線上可以看出：同時(shí)采用原葉輪或優(yōu)化短排距葉輪時(shí)，單泵和雙泵每公里單方耗功最小值對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量幾乎相同，其中采用原葉輪時(shí)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為4 050 m3/h，采用優(yōu)化短排距葉輪時(shí)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為3 850 m3/h。從排距-每公里單方耗功曲線可以看出：單泵或雙泵時(shí)，每公里單方耗功均存在最小值，其中，單泵時(shí)采用原葉輪和優(yōu)化短排距葉輪的每公里單方耗功最小值分別為0.394 kW/km/（m3/h）和0.388 kW/km/（m3/h），雙泵時(shí)采用原葉輪和優(yōu)化短排距葉輪的每公里單方耗功最小值分別為0.401 kW/km/（m3/h）和0.398 kW/km/（m3/h），相較于原葉輪，優(yōu)化短排距葉輪在單泵和雙泵能耗最低值分別降低了1.5%和0.7%；原葉輪和短排距葉輪單泵時(shí)每公里單方耗功最小值對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)排距分別為1.1 km和1 km，雙泵時(shí)每公里單方耗功最小值對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)排距分別為3.2 km和2.7 km；單泵和雙泵時(shí)，優(yōu)化短排距葉輪與原葉輪的排距-每公里單方耗功曲線均有2個(gè)交點(diǎn)，單泵時(shí)2個(gè)交點(diǎn)對應(yīng)排距分別為0.8 km和1 km，雙泵時(shí)分別為2.2 km和2.85 km，在交點(diǎn)范圍內(nèi)時(shí)優(yōu)化短排距的能耗要低于原葉輪；此外，采用優(yōu)化短排距葉輪的雙泵和采用原葉輪的單泵存在交點(diǎn)，對應(yīng)排距為1.6 km，當(dāng)排距大于此值時(shí)，采用優(yōu)化短排距葉輪雙泵的施工能耗更低。

圖8 最大產(chǎn)量和不同排距的每公里單方耗功Fig.8 Power consumption per kilometer at maximum production and different discharge

綜上可述，在不考慮產(chǎn)量、僅從經(jīng)濟(jì)性角度上來看，優(yōu)化短排距葉輪適用排距為單泵0.8～1 km和雙泵1.6～2.85 km。

6 結(jié)語

1）通過結(jié)合切割定律和保角變換法，分別設(shè)計(jì)了水下泵和艙內(nèi)泵短排距扭曲型葉輪。

2）通過數(shù)值模擬，對比分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的短排距葉輪和采用直接切割的短排距葉輪的泥泵性能及內(nèi)部流場，優(yōu)化短排距葉輪的水下泵和艙內(nèi)泵揚(yáng)程和效率均滿足了設(shè)計(jì)要求，且最高效率均達(dá)到了86%以上；設(shè)計(jì)流量12 000 m3/h時(shí)，相較于切割葉輪，配置優(yōu)化短排距葉輪的水下泵和艙內(nèi)泵效率分別提高了1.1%和2.9%；水下泵短排距葉輪和切割葉輪內(nèi)部流場均較為均勻；艙內(nèi)泵短排距葉輪較切割葉輪的內(nèi)部流場分布更為均勻，且無旋渦發(fā)生。

3）對分別采用原葉輪和短排距葉輪的泥泵在不同排距下輸送泥漿的最大產(chǎn)量和最大濃度進(jìn)行工況計(jì)算，當(dāng)排距在0.15～2.2 km時(shí)，采用短排距葉輪時(shí)船舶的施工產(chǎn)量要大于采用原葉輪時(shí)船舶的施工產(chǎn)量。

4）對分別采用原葉輪和短排距葉輪的泥泵在不同排距下最大產(chǎn)量時(shí)泥泵單位時(shí)間內(nèi)每公里單方耗功進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)化短排距葉輪泥泵在單泵施工排距0.8～1 km和雙泵施工排距1.6～2.85 km時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)每公里單方耗功較低。