莊海飛，楊晨，胡京招

（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）

4 500 m3耙吸挖泥船用高效泥泵的研究與應(yīng)用

莊海飛，楊晨，胡京招

（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）

基于CFD和模型試驗(yàn)，研制了離心式高效泥泵，成功應(yīng)用于4 500 m3耙吸挖泥船的泥泵改造。應(yīng)用流體仿真軟件，模擬了新設(shè)計(jì)高效泥泵的三維流場(chǎng)，預(yù)測(cè)了水力性能；基于相似定律，按照0.694的比例制造了模型泵，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了清水外特性試驗(yàn)，驗(yàn)證了高效泥泵的水力性能。泥泵改造后的實(shí)船清水測(cè)試表明，在流量9 000～ 11 000 m3/h，右泵測(cè)試效率達(dá)到80%～87%，左泵測(cè)試效率均達(dá)到78%～86%；跟蹤采集挖泥數(shù)據(jù)，改造后左泵泥漿密度由1.25 t/m3提高至1.30 t/m3，流量由7 667 m3/h提高至8 183 m3/h，改造后生產(chǎn)效率得到明顯提高，同時(shí)降低了油耗，達(dá)到了節(jié)能增效的目標(biāo)。

耙吸挖泥船；泥泵；CFD；模型試驗(yàn)；應(yīng)用

0 引言

隨著近年我國(guó)沿海地區(qū)的圍海造地、大型深水港工程建設(shè)的大規(guī)模開展，如天津臨港工業(yè)區(qū)、黃驊港、廈門港等大型深水港航道建設(shè)，這些大型疏浚工程都對(duì)耙吸挖泥船的高效施工提出了更高要求。建于20世紀(jì)70年代的6艘4 500 m3耙吸挖泥船——航浚4001、4003、4006（圖1）、4007、4008、4009輪，在海內(nèi)外的河口、航道、碼頭、沿海地區(qū)的疏浚作業(yè)中至今仍發(fā)揮著非常重要的作用。

4 500 m3耙吸挖泥船“航浚4006”等由于服役期限較長(zhǎng)，泥泵采用30 a前的技術(shù)，葉輪為圓柱葉片，泥泵效率約在60%，且由于泥泵效率低，造成驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在低速區(qū)，降低了能耗利用率。

該系列挖泥船在一些重大工程中難以適應(yīng)高效施工要求，故必須對(duì)關(guān)鍵疏浚設(shè)備進(jìn)行升級(jí)換代，提升疏浚能力和降低能耗。輸送系統(tǒng)包括泥泵，吸入管路和排出管路、泥泵驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)、齒輪箱等，如對(duì)整個(gè)輸送系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，成本高、周期長(zhǎng)，而輸送系統(tǒng)的核心設(shè)備是泥泵，通過研發(fā)與原船管路匹配，與目前柴油機(jī)相適應(yīng)的高效泥泵，達(dá)到提高挖泥船施工效率的目標(biāo)。國(guó)外先進(jìn)的挖泥船目前均采用了高效泥泵以提高疏浚效率，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也對(duì)高效泥泵進(jìn)行了大量研究，彭光杰采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)了泥泵的外特性曲線，表明預(yù)測(cè)揚(yáng)程與實(shí)測(cè)性能曲線符合很好，在小流量區(qū)的清水效率誤差較大[1]，張曉娜采用數(shù)值模擬方法對(duì)泥泵葉輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了泥泵的揚(yáng)程和效率[2]，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[3]。

1 基于CFD的泥泵優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 泥泵設(shè)計(jì)參數(shù)確定

為確定4 500 m3耙吸挖泥船原泥泵的真實(shí)性能，在黃驊工地，對(duì)“航浚4006”輪上的原泥泵進(jìn)行了清水性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速下的泥泵效率均比較低，清水效率60%～70%左右，柴油機(jī)500 r/min時(shí)可提供最大功率840 kW左右。

根據(jù)柴油機(jī)可提供功率和原泥泵管路布置，以及施工工況對(duì)泥泵的要求，新設(shè)計(jì)泥泵額定流量為10 000 m3/h，揚(yáng)程17 m，轉(zhuǎn)速200 r/min，泥泵吸口直徑0.9 m，高效泥泵葉輪采用空間扭曲葉片，額定工況效率要求達(dá)到85%。

1.2 泥泵設(shè)計(jì)及性能預(yù)測(cè)

葉輪通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體的壓能，是泥泵最重要的過流部件。研究表明，泥泵采用扭曲葉片，更符合流動(dòng)規(guī)律，減小脫流和漩渦，不但提高效率，而且減輕磨損。原泥泵采用圓柱葉片，效果不好，因此，新泥泵葉片應(yīng)當(dāng)采用設(shè)計(jì)扭曲葉片的方法來繪型[4]。泥泵基本尺寸：進(jìn)口900 mm，排口750 mm，葉輪外徑1 790 mm，葉輪出口寬度380 mm，葉片數(shù)4，泥泵三維水體見圖2。

圖2 泥泵DRC179-900水體Fig.2 Computational domain model of dredge pump DRC179-900

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)已廣泛用于流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)分析及其性能預(yù)測(cè)，其成本低，效率高，方便快捷。利用數(shù)值計(jì)算模擬的方法對(duì)泥泵的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行全三維流場(chǎng)模擬，不僅節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源，還可顯示許多場(chǎng)特性細(xì)節(jié)[5]。DRC179-900型高效泥泵全流道模型由進(jìn)口、葉輪、蝸殼3部分組成，模擬采用蝸殼和葉輪耦合求解的方法。

結(jié)合CFD流場(chǎng)模擬計(jì)算，得到葉輪和蝸殼多次優(yōu)化后的泥泵水力方案，并通過數(shù)值模擬得到轉(zhuǎn)速200 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（表1）。

表1 額定工況點(diǎn)比較Table 1 Comparison of rated conditions

原泵與新泵的設(shè)計(jì)曲線及參數(shù)對(duì)比見圖3。在流量8 000～10 000 m3/h，新泵揚(yáng)程比原泵小0.2～0.8 m，效率提高了15%～19%，在額定流量點(diǎn)10 000 m3/h，新泵比原泵揚(yáng)程小0.8 m，新泵清水效率比原泵提高了15.8%。

圖3 原泵和新泵性能曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of performance curves between original pump and new pump

1.3 泥泵流場(chǎng)分析

如泵內(nèi)流場(chǎng)分布符合流動(dòng)規(guī)律，則反應(yīng)了該泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化的效率較高。圖4給出了葉輪子午面的壓力分布，在葉輪內(nèi)的流體壓力沿著半徑的壓力梯度變化比較均勻；葉片進(jìn)口背面低壓區(qū)面積較小（見圖5），表明該泵有較好的抗氣蝕性能；子午面相對(duì)速度方向均沿著葉片，葉輪流道及隔舌附近無漩渦區(qū)（圖6），表明該葉片設(shè)計(jì)有利于提高泵的水力效率。

圖4 泥泵子午面壓力分布云圖Fig.4 Pressure nephogram of meridian plane of dredge pump

圖5 葉輪壓力分布云圖Fig.5 Pressure nephogram of impeller plane

圖6 子午面相對(duì)速度分布Fig.6 Relative velocity vector of meridian plane

2 泥泵的模型試驗(yàn)

根據(jù)相似理論，按0.694的尺寸比例制作了模型泵。模型泵試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)（圖7）的功率配備315 kW，采用變頻電機(jī)，泵轉(zhuǎn)速200～360 r/min可調(diào)。模型泵測(cè)試結(jié)果按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3216—2005[6]轉(zhuǎn)換為實(shí)泵的水力性能曲線后與數(shù)值模擬的性能曲線對(duì)比見圖8。

圖7 模型泵試驗(yàn)臺(tái)Fig.7 Model pump test bed

圖8 模型泵換算至實(shí)泵性能曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of performance curves for the conversion of model pump to real pump

與高效泥泵模擬預(yù)測(cè)性能參數(shù)相比，在流量8 000～10 000 m3/h，揚(yáng)程相對(duì)誤差2.0%～2.5%，功率相對(duì)誤差1.0%～2.5%，效率誤差0.2～1.3個(gè)百分點(diǎn)，表明揚(yáng)程和效率的模擬值與試驗(yàn)值相符很好，該高效泵的水力性能通過模型試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。

3 泥泵實(shí)船清水測(cè)試

原泵體部分重量約35 t，新泵體（圖9）重量約19 t，比原泵減輕46%?！昂娇?006”輪完成新泵的安裝后，在舟山某碼頭進(jìn)行泥泵清水測(cè)試，新泥泵200 r/min測(cè)試性能曲線（柴油機(jī)500 r/min）見圖10，其中左泵和右泵均為實(shí)船測(cè)試性能曲線。

圖9 新泥泵DRC179-900Fig.9 New dredge pump DRC179-900

圖10 泥泵200 r/min實(shí)船測(cè)試性能曲線Fig.10 Test performance curves of dredge pump on the board-200 r/min

通過對(duì)比測(cè)試性能曲線和模擬性能曲線，進(jìn)一步驗(yàn)證了該高效泵的水力性能。

1）在流量9 000～11 000 m3/h，左右泥泵揚(yáng)程測(cè)試值均比CFD模擬值高1 m左右；

2）在流量9 000～11 000 m3/h，左泵測(cè)試效率曲線與CFD模擬效率曲線幾乎重合，右泵的測(cè)試值比CFD模擬值高2%～3%；右泵測(cè)試效率達(dá)到80%～87%，左泵測(cè)試效率均達(dá)到78%～86%。

4 泥泵挖泥數(shù)據(jù)分析

為了對(duì)比泥泵改造前后挖泥工況的施工性能，摘錄了“航浚4006”輪在黃驊港航道區(qū)域的改造前后15 d的平均挖泥數(shù)據(jù)，見表2。

表2 “航浚4006”輪改造前后挖泥數(shù)據(jù)Table 2 Dredging parameters before and after the renovation of Hangjun 4006

以左泵為例，改造后泥漿密度提高了0.05 t/m3，流量提高了516 m3/h，改造后挖泥生產(chǎn)率得到明顯提高?！昂娇?006”輪改造前，泥泵的驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)平均轉(zhuǎn)速只有390～461 r/min，柴油機(jī)在低速運(yùn)行，運(yùn)行工況惡劣，改造后泥泵效率提高，使得泥泵的驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提高至493～547 r/min，柴油機(jī)的運(yùn)行工況得到改善，提高了能耗利用率。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)4500 m3耙吸挖泥船對(duì)泥泵的參數(shù)要求，研制了高效泥泵，應(yīng)用于實(shí)船改造，提高了挖泥船的疏浚施工效率。

1）結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法，自主設(shè)計(jì)研制了高效泥泵。實(shí)船清水測(cè)試表明，額定工況的泥泵效率達(dá)到了85%以上。

2）4 500 m3耙吸挖泥船“航浚4006輪”泥泵改造后的新泵體積小，泵體重量比原泵減輕46%，降低了泥泵成本，方便維修。

3）跟蹤采集泥泵改造后的“航浚4006”輪的挖泥數(shù)據(jù)，疏浚施工效率得到明顯提高，同時(shí)降低了能耗，減少了空氣污染。

[1]彭光杰，王正偉，楊文.挖泥泵數(shù)值仿真與實(shí)測(cè)比較[J].流體機(jī)械，2005，33（12）：19-22. PENG Guang-jie,WANG Zheng-wei,YANG Wen.Simulation and measurement of dredge pump[J].Fluid Machinery,2005,33(12): 19-22.

[2]張曉娜，周凌九，彭光杰.數(shù)值模擬的離心挖泥泵葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水泵技術(shù)，2005（6）：35-37. ZHANG Xiao-na,ZHOU Ling-jiu,PENG Guang-jie.Centrifugal dredging pump impeller optimization design based on numerical simulation[J].Pump Technology,2005(6):35-37.

[3]莊海飛，王文魁，鄭琳珠，等.基于CFD和模型試驗(yàn)的水下泥泵優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2015（10）：130-132. ZHUANG Hai-fei,WANG Wen-kui,ZHENG Lin-zhu,et al. Optimization design of dredge pump based on CFD and model experiment[J].China Rural Water and Hydropower,2015(10):130-132.

[4]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2011. GUAN Xing-fan.Modern pumps theory and design[M].Beijing: China Astronautic Publishing House,2011.

[5]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004. WANG Fu-jun.Computational fluid dynamics analysis[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004.

[6]GB/T 3216—2005，回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能驗(yàn)收試驗(yàn)1級(jí)和2級(jí)[S]. GB/T 3216—2005,Rotodynamic pumps-hydraulic performance acceptance tests-grades 1 and 2[S].

Research and application of efficient dredge pump for 4 500 m3trailing suction hopper dredger

ZHUANG Hai-fei,YANG Chen,HU Jing-zhao
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

Based on the CFD and model experiment,we developed the high efficiency centrifugal pump,which was applied in dredge pump renovation for 4 500 m3/h trailing suction hopper dredger successfully.Based on the fluid simulation software,we simulated the three dimensional flow field of high efficiency pump,forecasted the hydraulic performance;Based on the similarity law,we designed and made the model pump according to the proportion of 0.694,carried external characteristic test on the test bed for water to verify the efficient dredge pump hydraulic performance.After the new pump is installed on the dredger,the water tests show that the test efficiency of starboard pump is 80%～87%,and the test efficiency of portside pump is 78%～86%,when the flow is from 9 000 to 11 000 m3/h;The dredging data of the portside pump show that the density of pumping mud is increased from 1.25 t/m3to 1.30 t/m3,and the rate of flow is increased from 7 667 m3/h to 8 183 m3/h.The application of high efficiency centrifugal pump increases the production efficiency and reduces the fuel consumption of dredging work.Finally the goal of energy saving and efficiency increasing is achieved.

trailing suction hopper dredger;dredge pump;CFD;model experiment;application

U662.9

A

2095-7874（2017）01-0063-05

10.7640/zggwjs201701014

2016-08-19

2016-09-22

莊海飛（1986— ），男，河北衡水人，碩士，工程師，流體機(jī)械及工程專業(yè)，主要從事疏浚泥泵的設(shè)計(jì)研發(fā)。E-mail：zhuanghaifei@cccc-drc.com