劉永明，孔華杰，魯寧斌，焦修勤，黃睿，徐蕓

（1.中國船舶重工集團公司第十二研究所，陜西 咸陽 713102；2.長江南京航道工程局，江蘇 南京 210011）

0 引言

挖泥船在港口建設、航道建設、填海造地工程中發(fā)揮著重要作用，如何提高絞吸式挖泥船的產(chǎn)量和排距，泥泵起著關鍵作用。

長獅7號絞吸式挖泥船是2007年購買的二手船，該船在設計、建造、設備配套等方面均存在諸多先天性不足，導致使用過程中挖泥船的時間利用率及施工效率低下，前期已進行了大量的技術改造工作，船舶性能有所提升，但泥泵效率仍然不高。

為了進一步提升該船施工效率，降低能耗，2016年設計開發(fā)了CS7-S（水下泵）和CS7-C（艙內泵）型泥泵，對該船泥泵進行升級改造。

1 原泥泵系統(tǒng)的主要問題

文中分析的長獅7號絞吸式挖泥船配置了2臺泥泵，包括1臺水下泵和1臺艙內泵。原泥泵系統(tǒng)存在的問題如下：

1）2臺泥泵葉片均為圓弧型圓柱式葉片[1]，泥泵效率較低，最高效率低于75%。

2）水下與艙內泥泵匹配性欠佳，串聯(lián)工作的兩泵在設計工況點3.5 m3/s時，水下泵工作在高效區(qū)，而艙內泵并沒有工作在高效區(qū)，泥泵系統(tǒng)整體效率低，原泥泵系統(tǒng)清水流量效率曲線如圖1所示。

圖1 原泥泵系統(tǒng)清水流量效率曲線Fig.1 The flow-efficiency curves for water of original dredge pump system

2 新泥泵數(shù)值分析

新泥泵葉片設計成效率更高的對數(shù)螺旋線形扭曲式葉片，同時葉片進口向泵吸口延伸，如圖2所示，這樣有利于提高泥泵的汽蝕性能。

圖2 新舊泥泵葉輪三維模型Fig.2 Impellers 3-D models for new and original dredge pumps

1）數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用三維定常不可壓縮雷諾時均NS方程和標準的k-ε湍流模型。計算方法上采用時間推進法來計算流場中的各流動參數(shù)，離散格式上采用中心差分格式，為提高收斂速度，采用當?shù)貢r間步長和多重網(wǎng)格技術。在差分格式中，壓力項采用二階中心差分格式，速度項、湍動能項和湍動能黏系數(shù)項均采用二階迎風差分格式。近壁區(qū)使用速度分布對數(shù)律的固壁函數(shù)；采用SIMPLEC算法，實現(xiàn)壓力和速度的耦合求解；在迭代計算時，應用亞松弛迭代，在求解壓力項時，松弛系數(shù)項為0.3，速度項為0.7，湍動能項為0.8，湍動能耗散率項為0.8。

2）邊界條件

計算區(qū)域的進口邊界上，采用速度進口，速度為均勻連續(xù)的邊界條件；在計算域的出口邊界上，采用自然出流；固壁邊界為絕熱條件，葉輪為轉動邊界；臨近固壁的區(qū)域，采用壁面函數(shù)，葉片表面、前后蓋板等固壁為無滑移邊界條件。

3）結果分析

利用CFD軟件Fluent模擬泥泵的流場，得到了2臺新泥泵CS7-S（水下泵）和CS7-C（艙內泵）的清水特性曲線。其中，CS7-S清水效率曲線如圖3所示，CS7-C清水效率曲線如圖4所示。

圖3 CS7-S（水下泵）清水性能曲線Fig.3 Water performance curves of CS7-S(underwater pump)

圖4 CS7-C（艙內泵）清水性能曲線Fig.4 Water performance curves of CS7-C(inboard pump)

2臺新泥泵不僅單泵效率高，而且匹配合理[2]，大大提高了泥泵系統(tǒng)的效率，使串聯(lián)工作的兩泵能同時工作在高效區(qū)。

4）泥泵工作點計算

泥泵系統(tǒng)的流量排壓曲線與不同排距的管阻曲線的交點即為該工況下泥泵系統(tǒng)的工作點[3]。泥泵排壓受混合物濃度、疏浚土顆粒大小影響，同時國外研究發(fā)現(xiàn)泥泵葉輪直徑的大小也對泥泵排壓產(chǎn)生重要影響，大型泥泵比小型泥泵的壓頭損失要小得多。泥泵壓頭計算公式如下：

式中：Hm為混合物的排壓；ρm為混合物密度；HR為排壓比例系數(shù)；Hw為清水排壓。排壓比例系數(shù)HR修正了混合物的濃度、疏浚土粒徑和泥泵葉輪直徑對泥泵排壓造成的影響[4]。

對于排距較長的絞吸式挖泥船，局部阻力損失可以忽略不計，管路阻力損失可以簡化為長直管內定長流動的沿程阻力損失，清水的管道壓力降可以利用魏斯巴赫公式計算：

式中：i為清水管道壓力降；f為摩擦因數(shù)；L為管道長度；D為管道內徑；ρw為清水密度；V為清水流速。Newitt與O'Brien、Folsom、Durand等人得到了泥漿管道壓力降與清水管道壓力降的關系式[5-10]，即：

式中：im為泥漿管道壓力降；i為清水管道壓力降；CV為砂的體積濃度；ρs為砂的密度；ρw為清水的密度。

根據(jù)泥泵排壓曲線和管阻曲線就可以得到不同工況下的泥泵系統(tǒng)工況點。

本設計工況的疏浚介質為中細砂d50=0.236 mm，排高6 m，排泥管直徑φ900，泥漿濃度為35%，泥泵系統(tǒng)的流量排壓管阻曲線如圖5所示，挖深25 m時各工作點的中細砂產(chǎn)量預測見表1。

排距在2～8 km范圍內新泥泵系統(tǒng)的性能良好，提高了泥泵系統(tǒng)在中長排距工況的疏浚能力。

3 泥泵系統(tǒng)改造后清水試驗

完成新泥泵安裝后，在南通某船廠進行了清水試驗，如圖6所示，現(xiàn)場測試的新泥泵清水性能曲線如圖7、圖8所示。

圖5 新舊泥泵系統(tǒng)流量排壓管組曲線Fig.5 Flow-discharge pressure&pipe resistance curves in new and original dredge pump systems

表1 新舊泥泵系統(tǒng)不同排距下中細砂產(chǎn)量預測Table 1 Production forecast of medium and fine sand under different distance of new and original dredge pump

圖6 新泥泵清水試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.6 New dredge pumps water test photo

通過對比現(xiàn)場測試的性能曲線與模擬的性能曲線，完成了新泥泵水力性能的驗證。當流量為3.5 m3/s時艙內泵出口壓力實測值為1 MPa（10 bar）（改造前約為0.86 MPa（8.6 bar））。兩泵性能參數(shù)實測值與預測值1.03 MPa（10.3 bar）基本吻合，符合改造預期。

圖7 新泥泵CS7-S清水性能曲線Fig.7 Water test performance curves of new dredge pump CS7-S

圖8 新泥泵CS7-C清水性能曲線Fig.8 Water test performance curves of new dredge pump CS7-C

4 結語

1）改造后2臺新泥泵效率高，泥泵最高效率達到86%以上，兩泵匹配性合理，高效區(qū)重合，在提高了泥泵單泵效率的同時保證了2臺泵同時高效運行。為今后的舊船泥泵改造提供了一種新的思路。

2）長獅7號絞吸式挖泥船改造后施工效率得到了大幅提升，增強了對中長排距施工的適應性和競爭能力，實現(xiàn)了船舶的節(jié)能降耗，達到了泥泵改造升級的目的。