鐘衛(wèi)華，李洪彬，王 勇，蔣 爽，王 珺，倪福生*

(1.江蘇省水利機(jī)械制造有限公司，揚(yáng)州 225001；2.河海大學(xué) 疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，常州 213022)

隨著新時(shí)代中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求，以及環(huán)保意識(shí)的與日俱增，環(huán)境整治方面的需求日趨旺盛，其中水環(huán)境整治是其重要組成部分[1-2]。水力式清淤船是大面積高效清淤的常用設(shè)備[3-4]，采用泥泵輸送可確保清淤輸送的連續(xù)性。但城鄉(xiāng)河網(wǎng)內(nèi)常有衣物、水草、建筑垃圾等多種雜物，極易造成泥泵堵塞，頻繁檢修將大大降低施工效率并延長(zhǎng)施工工期。

旋流泵的葉輪置于泵殼后腔，物料與葉片接觸較少，通流面積更大，可以有效解決清淤輸送時(shí)的堵塞問(wèn)題。因其簡(jiǎn)單的造型和特殊的性能優(yōu)勢(shì)，旋流泵已成為城鄉(xiāng)河網(wǎng)清淤機(jī)械使用的主要泵型，并逐漸得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[5]。但是旋流泵的高通過(guò)性是以犧牲泥泵效率為代價(jià)的，其最高效率一般不超過(guò)60%[6]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他類(lèi)型葉片泵。為提高旋流泵的效率，眾多學(xué)者開(kāi)展了諸多試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。然而，學(xué)者們的大多試驗(yàn)和模擬都是針對(duì)清水流場(chǎng)工況。需要注意的是，針對(duì)清淤疏浚工程中泥沙濃度對(duì)旋流泵性能影響的試驗(yàn)研究較少。旋流泵的結(jié)構(gòu)與常規(guī)泥泵存在顯著差異，泵內(nèi)兩相流場(chǎng)具有高度復(fù)雜性。目前大多從內(nèi)部流場(chǎng)來(lái)分析旋流泵性能[7-14]，泥沙濃度對(duì)旋流泵效率的影響尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)論。

為此，本文針對(duì)某大流量無(wú)堵塞旋流泵開(kāi)展了一系列研究工作，包括研究在清水工況和不同泥沙濃度工況下的泵性能試驗(yàn)，獲得了旋流泵的揚(yáng)程和效率等性能參數(shù)，同時(shí)得到了各性能參數(shù)隨泥沙濃度的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置

本文所使用的試驗(yàn)臺(tái)是河海大學(xué)疏浚教育工程中心研制的大流量旋流泵穩(wěn)定無(wú)堵塞試驗(yàn)裝置，如圖1所示。該裝置主要由旋流泵、輸送管道、加沙漏斗以及各參數(shù)測(cè)量?jī)x器組成，其中旋流泵為XLB-550泵型。為方便觀察管道內(nèi)流體流動(dòng)情況，在旋流泵進(jìn)口前段位置安置了一截透明有機(jī)玻璃管道，通過(guò)該段透明管路可以很清晰地觀察清水紊流狀態(tài)和輸沙時(shí)的泥沙分布情況。本次試驗(yàn)主要研究清水流場(chǎng)中旋流泵的揚(yáng)程、軸功率和效率等性能參數(shù)隨流量的變化情況，以及輸送泥沙時(shí)泵性能參數(shù)在不同泥沙濃度下的變化。為得到旋流泵揚(yáng)程，根據(jù)伯努利方程，需測(cè)得泵進(jìn)出口截面的壓力，本試驗(yàn)裝置中采用壓力傳感器，量程0～5 MPa。管道流速用于計(jì)算有效功率，采用電磁流量計(jì)測(cè)量豎直管道上內(nèi)部流體的垂直流速，由此可推算出旋流泵的進(jìn)口流量。另外，為計(jì)算旋流泵的軸功率，還需測(cè)得電機(jī)扭矩，本文裝置中采用扭矩儀獲得該數(shù)值。

旋流泵作為本次研究的主要試驗(yàn)對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)計(jì)工況下的主要性能參數(shù)如下：流量550 m3/h，揚(yáng)程29 m，轉(zhuǎn)速950 r/min。其關(guān)鍵部件包括葉輪、葉片、無(wú)葉腔和泵進(jìn)出口管道，其中葉輪外徑為480 mm，葉片為后彎曲葉片，葉片寬度為90 mm，葉片包角為60°，無(wú)葉腔寬度為160 mm，進(jìn)口直徑為252 mm，出口直徑為202 mm。

圖2 旋流泵結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of vortex pump

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)共有兩組，分別為輸送清水試驗(yàn)和輸送泥沙試驗(yàn)。考慮到實(shí)際使用時(shí)該旋流泵主要運(yùn)行在約500 r/min，故試驗(yàn)時(shí)均采用該轉(zhuǎn)速。首先進(jìn)行了一組清水流場(chǎng)性能試驗(yàn)，管道內(nèi)流速大小通過(guò)電動(dòng)閘閥來(lái)控制。為了檢驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，改變輸送流量由小到大再由大到小進(jìn)行了多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)。在清水性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)做水沙兩相流性能試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速同樣穩(wěn)定在500 r/min。本次試驗(yàn)選用中值粒徑1 mm、沙粒密度2 540 kg/m3的長(zhǎng)江口泥沙。清淤工程中，為保證施工效率，需采取較高的泥沙濃度[15]，本文試驗(yàn)依據(jù)實(shí)際施工的正常工況，設(shè)計(jì)的泥沙濃度Cv分別為6.5%、13%、19.5%，對(duì)應(yīng)的水沙混合物密度依次為1 100 kg/m3，1 200 kg/m3，1 300 kg/m3。根據(jù)所需泥沙濃度和輸送管道體積可計(jì)算出需加入的泥沙量，但由于測(cè)量誤差以及搬運(yùn)過(guò)程中發(fā)生散落，實(shí)際試驗(yàn)的泥沙濃度與設(shè)計(jì)值會(huì)存在差別。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用密度計(jì)來(lái)精確監(jiān)測(cè)實(shí)際管道內(nèi)的水沙混合物密度，并依據(jù)式(1)計(jì)算泥沙濃度。此外，旋流泵揚(yáng)程H、軸功率P和效率η的具體計(jì)算公式依次見(jiàn)式(2)～(5)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：下標(biāo)w、s、m分別代表清水、泥沙和混合物；Hw為輸送清水時(shí)揚(yáng)程，m(水柱)；Hm為輸送泥沙時(shí)揚(yáng)程，m(泥漿柱)；ρ為輸送流體密度，清水密度取ρw=1 000 kg/m3，沙粒密度依據(jù)測(cè)量為ρs=2 540 kg/m3，水沙混合物密度則采用密度計(jì)的實(shí)際測(cè)量值；p1、p2分別為泵進(jìn)口和出口處流體壓力，Pa；g為重力加速度，取9.81 m/s2；Δh為水泵的入口與出口之間的高度差，單位與揚(yáng)程相同；Q為管道流量，m3/s；M為作用在葉輪上的力矩，N·m；n為泵轉(zhuǎn)速，r/min。

3 結(jié)果分析與討論

為了與輸沙性能進(jìn)行比較，提取了旋流泵輸送清水的性能曲線。重復(fù)性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示，其性能曲線基本重合。鑒于現(xiàn)有旋流泵清水輸送性能研究較多，其規(guī)律基本明確，本文僅選取了一組數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明，如圖3中的清水曲線所示。可以看到，清水流場(chǎng)環(huán)境中旋流泵所得性能曲線發(fā)展趨勢(shì)與傳統(tǒng)泥泵基本一致，揚(yáng)程隨流量增大而減小，軸功率逐漸增大。效率隨流量先逐漸增大，當(dāng)流量增大到某一值時(shí)效率最高，之后隨流量增大而減小。

為分析泥沙濃度對(duì)旋流泵性能的影響，將500 r/min下，不同泥沙濃度的旋流泵性能曲線與相應(yīng)的清水工況時(shí)旋流泵性能曲線進(jìn)行比較，如圖3所示?？梢钥吹?，在各泥沙濃度下，泵的揚(yáng)程、軸功率和效率隨流量的變化趨勢(shì)與清水流場(chǎng)基本相似。而隨著泥沙濃度的增加，泵的揚(yáng)程逐漸下降，軸功率則逐漸升高，效率逐漸降低。其原因主要是，兩相流場(chǎng)受泥沙影響較大，液流裹挾泥沙流動(dòng)需要消耗能量，泥沙顆粒之間以及其與泵殼、泵葉表面的摩擦亦加大，同時(shí)泥沙運(yùn)動(dòng)慣性較大，會(huì)在兩相流場(chǎng)中產(chǎn)生更多漩渦與二次流動(dòng)，這都增加了兩相流動(dòng)的損失與所需動(dòng)力。在兩相流體中，泥沙濃度越高，水沙兩相相互作用和摩擦所產(chǎn)生的消耗越多，附加損失增加，從而導(dǎo)致旋流泵出現(xiàn)上述性能下降的結(jié)果。

圖3 不同泥沙濃度下的旋流泵性能曲線(轉(zhuǎn)速500 r/min)Fig.3 Performance curve of vortex pump under different sediment concentrations

為進(jìn)一步定量分析揚(yáng)程和效率的下降值與泥沙濃度的關(guān)系，定義揚(yáng)程比降Rh和效率比降Rη依次如式(6)和(7)所示。其中，下標(biāo)w和m分別代表清水和混合物。將揚(yáng)程比降和效率比降隨泥沙濃度的變化關(guān)系繪制在圖4中。

圖4 旋流泵揚(yáng)程比降與效率比降隨泥沙濃度的變化Fig.4 Variation of vortex pump head gradient and efficiency gradient with sediment concentration

Rh=Hw-Hm

(6)

(7)

為獲得比降與隨泥沙濃度改變的定量關(guān)系，對(duì)圖4揚(yáng)程和效率比降曲線分別作了數(shù)據(jù)擬合處理，所得關(guān)系曲線如圖4虛線所示，擬合公式為(8)和(9)。其相關(guān)系數(shù)分別為0.936與0.989 1，可見(jiàn)公式具有較高的擬合度。同時(shí)可以看出，在本文泥沙濃度范圍內(nèi)，揚(yáng)程和效率比降與泥沙濃度之間基本呈線性正相關(guān)，即泥沙濃度越高，旋流泵揚(yáng)程和效率損失越嚴(yán)重，效率下降越多。因此，當(dāng)輸送不同濃度的水沙兩相流體時(shí)，就可據(jù)此推斷出旋流泵相應(yīng)的揚(yáng)程和效率，從而便于調(diào)整泵的工作狀態(tài)以滿足輸送需求。

Rh=0.699 3Cv+2.023 5 (6.5%≤Cv≤19.5%)

(8)

Rη=0.653 8Cv-0.051 7 (6.5%≤Cv≤19.5%)

(9)

4 結(jié)論

通過(guò)改變泥沙濃度，對(duì)旋流泵性能進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果顯示，泥沙對(duì)旋流泵性能存在顯著影響；隨著泥沙濃度的增加，旋流泵揚(yáng)程和效率比降均呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)；在本文泥沙濃度范圍內(nèi)，揚(yáng)程比降和效率比降遵循式(8)、(9)所示規(guī)律。這為旋流泵的設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)，為了能使旋流泵獲得高效設(shè)計(jì)，需要考慮泥沙等介質(zhì)及固體相濃度對(duì)泵性能的影響。