一種大深度豎井掘進(jìn)機(jī)泥漿環(huán)流系統(tǒng)用對(duì)沖減壓裝置的研制

摘要：在大深度豎井掘進(jìn)機(jī)的泥漿環(huán)流系統(tǒng)中，由介質(zhì)勢(shì)能產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)不容忽視的程度。針對(duì)這種大壓力、高流量工況下惡劣的固液兩相流環(huán)境，提供了一種可靠性高、故障間隔長、結(jié)構(gòu)簡單且精巧的對(duì)沖減壓裝置作為在線式備份減壓器，以期能夠在透平故障的情況下為泥漿環(huán)流系統(tǒng)提供應(yīng)急減壓措施，并保證其平?？梢宰鳛樵诰€熱備。新設(shè)計(jì)了四種不同構(gòu)型的對(duì)沖減壓裝置，并在純水介質(zhì)下進(jìn)行仿真模擬，分析論證其原理的可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)的方案可以避免對(duì)沖鋒面作用在緩沖室的罐壁上，使射流平緩地消散；在噴嘴距為300 mm時(shí)，減壓器內(nèi)流動(dòng)最為均勻。

關(guān)鍵詞：豎井掘進(jìn)機(jī)；泥漿環(huán)流系統(tǒng)；對(duì)沖減壓；裝置

中圖分類號(hào)：TP61+4.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）21-0037-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.009

0" " 引言

目前，國內(nèi)豎井掘進(jìn)施工中使用的大部分豎井掘進(jìn)機(jī)都搭載了泥漿環(huán)流系統(tǒng)，用于高效地輸送出渣。但對(duì)于豎井掘進(jìn)工程來說，當(dāng)超過一定開挖深度時(shí)，泥漿介質(zhì)在重力作用下會(huì)產(chǎn)生更大的沖擊壓力，特別是當(dāng)輸送的泥漿含有大直徑顆粒時(shí)，常規(guī)的增加額外的管路加固措施往往難以在這種工況下長時(shí)間工作[1-2]。因此，開發(fā)設(shè)計(jì)一種能夠工作在惡劣固液兩相流工況下對(duì)抗高水頭的管道消能裝置，在該應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義[3-7]。

本文提出了一種新型的淹沒射流對(duì)沖減壓裝置，其可以作為泥漿環(huán)流系統(tǒng)的被動(dòng)式熱備減壓措施，用作主動(dòng)減壓措施（即泥漿透平）的備份與保障。這種裝置能在泥漿環(huán)流系統(tǒng)中作為在線式熱備，當(dāng)發(fā)生由各種原因如泥漿透平機(jī)械故障，或是管路破裂引發(fā)泄漏等導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)發(fā)生水擊時(shí)，能夠自動(dòng)投入使用而無須等待控制系統(tǒng)響應(yīng)，縮短反應(yīng)時(shí)間，最大程度上減小事故帶來的危害，防止泥漿環(huán)流系統(tǒng)因?yàn)槟骋患?jí)損壞而導(dǎo)致逐級(jí)擊穿[7-12]。此外，該裝置還具備結(jié)構(gòu)簡單可靠，易于維護(hù)，在大含沙量的液體流動(dòng)環(huán)境下結(jié)構(gòu)不易沖刷磨損或是堵塞，能夠保持全時(shí)段在線等特點(diǎn)。

1" " 對(duì)沖減壓裝置結(jié)構(gòu)

該新型對(duì)沖減壓裝置的主要結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，主要由管段、噴嘴、緩沖室三個(gè)部分構(gòu)成。

工作過程主要分為三個(gè)階段，首先是上游來流介質(zhì)進(jìn)入進(jìn)口段后，先經(jīng)由耐磨分流板被左右分開進(jìn)入分流管段，隨后在分流管段中改變流徑由左右對(duì)稱布置的對(duì)沖噴嘴加速噴出，在緩沖室中產(chǎn)生淹沒射流，互相沖擊將其攜帶的動(dòng)能抵消大部分，最后重新將剩余動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能并向下游流動(dòng)。

如圖1（b）所示，當(dāng)系統(tǒng)處于上游來流壓力突增、超過聯(lián)軸的透平電機(jī)泵組最大減壓處理能力并觸發(fā)控制系統(tǒng)限速，或是泥漿透平及電機(jī)泵故障等情況下，位于透平電機(jī)泵組下方的對(duì)沖減壓器將無須控制切換，直接伴隨突增的壓力自動(dòng)投入，其響應(yīng)快，工作原理安全可靠，失效風(fēng)險(xiǎn)低，檢修與維護(hù)成本較低，可以作為可靠熱備長期在線。

2" " 對(duì)沖減壓器仿真分析

仿真中發(fā)現(xiàn)受兩股對(duì)沖的射流撞擊產(chǎn)生的沖擊鋒面的影響，緩沖器的壁面受到較大局部壓力，因此額外增設(shè)了一個(gè)位于緩沖罐中心的對(duì)沖鋒面導(dǎo)流器，使其能夠?qū)⑾蛩闹軘U(kuò)散的沖擊鋒面重新引導(dǎo)至射流對(duì)沖的匯聚點(diǎn)進(jìn)行二次消能，構(gòu)成了如圖2所示的無對(duì)沖鋒面導(dǎo)流器與有對(duì)沖鋒面導(dǎo)流器兩種方案。

2.1" " 水體模型建立

共計(jì)建立四種方案來進(jìn)行仿真運(yùn)算，前三個(gè)為有對(duì)沖鋒面導(dǎo)流器減壓器但噴嘴間距不同的方案，第四個(gè)為噴嘴間距與第三個(gè)相同但無對(duì)沖鋒面導(dǎo)流器減壓器的方案，各方案的幾何參數(shù)取值如表1所示。

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證：保持進(jìn)出口壓差1.6 MPa（16 bar）時(shí)監(jiān)測出口流量作為驗(yàn)證，在300萬網(wǎng)格左右流量趨于穩(wěn)定，如圖3所示。

對(duì)各個(gè)方案構(gòu)建如圖4所示的流體域，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，綜合考慮后采取適應(yīng)性較好的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格數(shù)如表2所示。

2.2" " 控制方程、邊界條件、求解器設(shè)置及監(jiān)測點(diǎn)

數(shù)值模擬采用ANSYS-CFX軟件平臺(tái)，湍流模型則選取RNG κ-ε模型，采用有限體積法離散N-S方程，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理；壓力和速度的耦合采用SIMPLE-C算法；擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用二階中心差分格式，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，各控制方程采用二階離散格式可以減小數(shù)值計(jì)算截?cái)嗾`差的影響，提高計(jì)算精度。

連續(xù)性方程：

+=0（1）

式中：ρ為流體介質(zhì)密度；t為時(shí)間；ui表示在坐標(biāo)xi上的速度分量；xi表示坐標(biāo)分量。

動(dòng)量方程：

+=-+μ

+Smi（2）

式中：ui、uj表示平均速度分量；xi、xj表示坐標(biāo)分量；p為壓力；μ為流體介質(zhì)的動(dòng)力粘度；Smi表示動(dòng)量方程源項(xiàng)，常簡化為0。

對(duì)于邊界條件的設(shè)置則是先采用入口1.6 MPa（16 bar）、出口0.1 MPa（1 bar）作為邊界條件進(jìn)行定常計(jì)算，然后在定常計(jì)算基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)計(jì)算。瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步長定為0.01 s，平穩(wěn)運(yùn)行1 s后進(jìn)口壓力上升到1.6 MPa（16 bar），2 s時(shí)升高到18 MPa（180 bar），然后保持該數(shù)值一直計(jì)算到3 s，出口則一直保持0.1 MPa（1 bar）。入口壓力P隨時(shí)間變化的函數(shù)如下所示，瞬態(tài)計(jì)算總共持續(xù)3 s。

P（t）=16，" " " t≤1 s，

164t-148，1 s≤t≤2 s，

180，" " " " "2 s≤t≤3 s（3）

式中：P為壓力；t為時(shí)間。

2.3" " 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證對(duì)沖減壓器新構(gòu)型的設(shè)計(jì)合理性，并探究介質(zhì)在對(duì)沖減壓器內(nèi)部流動(dòng)時(shí)速度及壓強(qiáng)等參數(shù)的變化，運(yùn)用流體仿真軟件對(duì)不同噴嘴間距的對(duì)沖減壓器進(jìn)行流場仿真。

2.3.1" " 靜壓

圖5為裝置出口處監(jiān)測點(diǎn)的靜壓隨時(shí)間及進(jìn)口壓力變化的趨勢(shì)和各監(jiān)測點(diǎn)布置位置示意圖。

當(dāng)模擬進(jìn)行到第3 s時(shí)，裝置的壓力云圖如圖6所示。

據(jù)圖5、圖6可以分析得出，對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)能夠有效應(yīng)對(duì)在第1秒時(shí)突然增大的進(jìn)口壓力，大部分靜壓將在射流噴嘴處被轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓，通過對(duì)沖射流相互抵消速度矢量并將壓力能轉(zhuǎn)換為熱能，最終被減壓后的介質(zhì)帶往下游并逸散至環(huán)境中。

并且，根據(jù)圖6可知，噴嘴間距的差異及結(jié)構(gòu)上有無導(dǎo)流器的不同對(duì)于大壓力脈沖下的消能效果無明顯影響，四種構(gòu)型的終時(shí)出口靜壓沒有較大差別。

當(dāng)進(jìn)口壓力較低時(shí)，整個(gè)裝置的壓損較小，理論上能夠作為在線式熱備配置在系統(tǒng)中的關(guān)鍵位置，且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)總效率造成較大的影響。

2.3.2" " 流速

圖7為裝置出口處監(jiān)測點(diǎn)的流速隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。

當(dāng)模擬進(jìn)行到第3秒時(shí)，裝置的速度云圖如圖8所示。

據(jù)圖8可以看出，有導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)相較于無導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)，出口流速變化較大，這是由進(jìn)口總壓增加帶來的總的質(zhì)量流量上升所導(dǎo)致的，由于流量守恒，所以出口流速有所上升，但是不影響裝置總體的減壓消能效果。四種結(jié)構(gòu)出口流速的波動(dòng)范圍均維持在30～40 m/s內(nèi)。在結(jié)構(gòu)上，由圖8可以發(fā)現(xiàn)，有導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)的緩沖室內(nèi)速度的分布更加均勻，這有助于降低對(duì)緩沖室的沖蝕磨損，同時(shí)易于更換的導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)可作為易損件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用上進(jìn)行定期更換的成本相較于更換緩沖室更具有經(jīng)濟(jì)性。

2.3.3" " 湍動(dòng)能

由圖9的四種結(jié)構(gòu)末時(shí)湍動(dòng)能云圖可以直觀地讀出能量的損耗主要發(fā)生的位置。在沒有導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)中兩股射流對(duì)撞產(chǎn)生的沖擊鋒面仍然攜帶有較大的能量，在向四周擴(kuò)散的過程中進(jìn)一步與周圍低速介質(zhì)通過湍流的形式發(fā)生能量交換，因此此處被湍流帶走的能量相對(duì)在緩沖室中總的耗散能量仍占有較大比重。而帶有導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)中，兩股射流對(duì)撞產(chǎn)生的沖擊鋒面被導(dǎo)流器重新引導(dǎo)回對(duì)撞中心，且速度的矢量方向與已經(jīng)耗散掉的大部分能量被擠出導(dǎo)流器的介質(zhì)的流動(dòng)方向相反，再次形成類似對(duì)沖消能的效果，由云圖可以發(fā)現(xiàn)湍動(dòng)能峰值區(qū)域主要集中在導(dǎo)流器內(nèi)部，因此可以認(rèn)為導(dǎo)流器能夠有效減少對(duì)撞射流產(chǎn)生的沖擊鋒面對(duì)緩沖室的沖蝕磨損。

2.3.4" " 消能率

以進(jìn)出口總壓的變化為基礎(chǔ)，計(jì)算對(duì)沖減壓裝置總的消能率，總壓測壓點(diǎn)如圖10所示，則裝置總的消能率計(jì)算公式如下：

η=×100% （4）

式中：η為消能率；P1為P1點(diǎn)總壓；P2為P2點(diǎn)總壓。

將四種構(gòu)型的末時(shí)兩點(diǎn)總壓代入式（4）進(jìn)行計(jì)算，得到的消能率如表3所示。

四種結(jié)構(gòu)的消能率相近，都可以有效應(yīng)對(duì)上游在1 s內(nèi)突增18 MPa的壓力波動(dòng)，因此這幾種結(jié)構(gòu)主要的區(qū)別在于對(duì)緩沖室沖蝕及出口壓力平穩(wěn)度等的影響上。

2.3.5" " 壁面承壓

兩股射流束對(duì)沖焦點(diǎn)產(chǎn)生的對(duì)沖鋒面以很高的速度作用在緩沖室的罐壁上，在四種方案中，噴嘴處的速度最高，帶來的動(dòng)壓壓力與磨蝕損失將會(huì)很不利于緩沖罐的工程化應(yīng)用，而帶有導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)的方案可以避免對(duì)沖鋒面作用在緩沖室的罐壁上，使射流平緩消散；對(duì)比帶有導(dǎo)流器但噴嘴距離不同的三種方案，發(fā)現(xiàn)300間距的方案中經(jīng)過導(dǎo)流器后的射流在噴嘴處的速度較低，且溢出較為均勻。

由圖11觀察四種構(gòu)型的壁面受力云圖，可以發(fā)現(xiàn)不帶導(dǎo)流器的400間距構(gòu)型上，有著明顯的一圈對(duì)撞射流沖擊鋒面導(dǎo)致的作用在緩沖室罐體上較為集中的壓力，其余三個(gè)帶導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)罐體受力則較為均勻，但400和350間距的結(jié)構(gòu)在噴嘴邊緣處出現(xiàn)了比較集中且數(shù)值較大的受力，可能是此處射流噴嘴與緩沖室壁面的相交處為直角結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致湍流區(qū)產(chǎn)生了受力計(jì)算誤差。

因此，可以直觀地認(rèn)為帶有導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)可有效避免對(duì)撞射流產(chǎn)生的沖擊鋒面對(duì)于緩沖室壁面的沖蝕磨損，同時(shí)能夠使得緩沖室受力分布更加平均，延長疲勞壽命，并且由于載荷均勻且峰值數(shù)值相較于無導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)更低，緩沖室的壁厚可以更薄，這能有效降低裝置總重并提升經(jīng)濟(jì)性。

3" " 結(jié)論

通過對(duì)不同構(gòu)型對(duì)沖減壓器進(jìn)行模擬分析的結(jié)果可知，該裝置四種構(gòu)型均可相對(duì)有效地對(duì)高壓介質(zhì)進(jìn)行消能減壓，結(jié)構(gòu)簡單，無動(dòng)力部件，相較于傳統(tǒng)的減壓裝置，可以期待它更穩(wěn)定地工作于泥漿環(huán)流系統(tǒng)惡劣的兩相流工況中。

在對(duì)沖減壓器的結(jié)構(gòu)迭代中可以發(fā)現(xiàn)，相較于無導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)，有導(dǎo)流器的構(gòu)型在工作時(shí)緩沖室壁面受到的壓力最大值更小，壁面的荷載分布更加均勻，其中噴嘴間距為300 mm且?guī)в袑?dǎo)流器的構(gòu)型消能率最高，為89.1%左右。理論上，帶有導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)相較于無導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)將具有更好的穩(wěn)定性與更長的使用壽命。

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收稿日期：2024-05-22

作者簡介：方小龍（1989—），男，河南信陽人，工程師，研究方向：流體技術(shù)。