大型絞吸挖泥船短排距葉輪研發及適應性研究

劉明明，莊海飛，胡京招

（中交疏浚技術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，艙內泵一般為高壓泥泵，雙泵串聯進行工作，主要用于長排距工況，而當排距較短時，只能通過使用1臺水下泵進行疏浚作業，此時船舶挖掘產量將會大大降低，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）降低泥泵轉速[1]，然而，除了新造船舶采用變頻電機外，目前大部分老舊船舶配備柴油機轉速調節范圍受限，且長期處于低速運行將極大降低其使用壽命；2）切割葉輪外徑的方法[3-7]，由于切割葉輪使設計工況點發生偏移，揚程降低，但切割葉輪同時也導致泥泵效率下降，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，同時降低了疏浚效率，此外，楊正軍等[9]設計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，結合切割定律、保角變換法以及數值模擬等手段，開展了包括水下泵和艙內泵在內的短排距葉輪設計優化工作，以提高船舶對短排距工況的適應性，同時結合文獻[10]中的泥漿揚程計算方法，對水下泵和艙內泵短排距葉輪應用前、后的工況進行預測和分析，為疏浚工程施工提供指導。

1 設計目標

“新海燕”輪現有泥泵參數如下：對于水下泵，設計流量Q=12 000 m3/h，揚程H=39.5 m，效率η=86%，轉速n=330 r/min，葉輪外徑D2=1 720 mm，葉片數為3；對于艙內泵，設計流量Q=12 000 m3/h，揚程H=77.5 m，效率η=86%，轉速n=325 r/min，葉輪外徑D2=2 210 mm，葉片數為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計要求，即：在維持泥泵效率的同時，降低揚程，匹配短排距工況。由于水下泵在承擔將泥漿吸入管路的任務外，同時要確保泥漿進入艙內泵前，艙內泵吸口壓力保持一定的正壓，因此，水下泵葉輪揚程降低幅度受限。艙內泵主要承擔將泥漿沿排出管路輸送至岸端，其揚程與排距直接相關。因此，艙內泵葉輪揚程降低幅度需與短排距工況要求相適應。短排距水下泵和艙內泵具體設計目標參數如表1所示。

表1 短排距泥泵設計目標Table 1 Design objective of dredge pump with short discharge

2 葉輪設計過程

為保證葉輪的通用性，葉輪軸面投影圖保持不變，僅改變葉輪外徑和葉片型線。葉輪外徑通過低比轉速離心泵葉輪的切割定律[11]（見式（1）、式（2））近似取整得到，優化設計水下泵和艙內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]進行設計優化，設計葉片為扭曲型，設計方案對葉片進口參數修改較小，主要對影響泥泵效率和揚程的葉片包角和葉片出口角進行設計優化。其中葉片包角適當取較大值以提高泥泵效率，優化后水下泵和艙內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程，減小泵殼內水力損失，優化后水下泵和艙內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，艙內泵葉片厚度67 mm。同時，為了降低葉片出口的磨損，對葉片出口近葉片吸力面進行了圓角處理，優化后的水下泵和艙內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 優化與切割葉輪葉片型線對比Fig.1 Comparison of optimized and cut blade profile

3 數值方法

泥泵計算模型包括葉輪、泵殼以及進、出口延長段，如圖2所示，采用ICEM對計算模型劃分三棱柱-四面體混合網格，網格單元總數約250萬?；贏nsys Fluent軟件分別對優化短排距葉輪和切割短排距葉輪進行模擬分析，并采用能夠同時處理近壁區和遠場區的SST k-ω湍流模型對泵內流動進行穩態求解，邊界條件采用速度進口和自由出流，壁面處理采用標準壁面函數，壁面條件設置為無滑移，離散格式與松弛因子均采用根據算法特點優化得出的默認設置。

圖2 計算模型Fig.2 Computation model

4 數值結果分析

4.1 性能分析

圖3為分別采用優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，采用優化后的短排距葉輪的水下泵在設計流量為12 000 m3/h時，揚程為35.1 m，效率為86.1%，滿足設計要求，其中最高效率點流量為11 000 m3/h，最高效率為86.9%。與切割得到短排距葉輪相比，優化短排距葉輪揚程曲線與切割短排距葉輪揚程曲線相近，僅在小流量時有所區別，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，優化短排距葉輪效率普遍高于切割短排距葉輪，其中在設計流量12 000 m3/h時，優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，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，主要流量范圍內采用優化短排距葉輪時的泥泵軸功率更低。

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為分別采用優化短排距葉輪和切割短排距葉輪的艙內泵性能曲線，從圖中可以看出，采用優化短排距葉輪的艙內泵在設計流量12 000 m3/h時，揚程為57.8 m，此時效率最高，效率值為86.6%，滿足設計目標要求。從揚程曲線上可以看出，優化短排距葉輪揚程曲線與切割短排距葉輪揚程曲線變化趨勢基本一致，設計流量12 000 m3/h時，優化短排距葉輪揚程高了1.5 m左右，在主要施工流量9 000～12 000 m3/h時，優化短排距葉輪揚程均高于切割葉輪，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，優化短排距葉輪效率普遍高于切割短排距葉輪，其中在設計流量12 000 m3/h時，優化短排距葉輪效率高了2.9%，在主要施工流量時，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化短排距葉輪時的泥泵軸功率更低。

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

4.2 流線分布

圖5為設計流量12 000 m3/h時，分別采用優化短排距葉輪和切割短排距葉輪時的水下泵葉輪中截面流線分布情況，從圖中可以看出，優化短排距葉輪和切割短排距葉輪的流場相差不大，2個葉輪中截面內均無旋渦發生，這也間接反映上述2個短排距葉輪性能相差不是很大，與上述已經分析的優化短排距葉輪效率較切割葉輪高了1.1%、揚程幾乎相等的分析結果相符合，這與切割葉輪的切割部分占葉輪外徑的比例較小有關。

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為設計流量12 000 m3/h時，分別采用優化短排距葉輪和切割短排距葉輪時的艙內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個流道內在靠近葉片壓力面位置均有明顯的旋渦產生，增加了葉輪內的水力損失，降低了泥泵的效率，而優化短排距葉輪內無旋渦發生，流場分布更為均勻，設計更為合理。

圖6 艙內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 工況適應性分析

“新海燕”輪水下泵電機輸出最大軸功率約1 750 kW，艙內泵柴油機輸出最大軸功率約3 300 kW，電機和柴油機工作區間均處于恒扭矩區，為了提高電機和柴油機的使用壽命，限制了其最低轉速，計算時假定水下泵和艙內泵的最低轉速分別為300 r/min和292 r/min，在此動力配置條件下，針對常用施工土質——細砂，其土質參數如下：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，對分別采用現有泥泵和優化短排距葉輪泥泵的不同施工工況進行適應性分析，其中對船舶采用單水下泵施工和雙泵施工分別計算，計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 產量分析

圖7為不同排距下的最大產量和最大濃度計算情況。從圖中可以看出，單泵或雙泵時，隨著排距減小，濃度逐漸升高，產量也隨之增加。在濃度達到假定輸送最大濃度時，排距繼續減小將導致泥漿流量持續增大，產量進一步增加，但受到泥泵轉速、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，采用原葉輪和優化短排距葉輪所對應的排距最小值分別為0.5 km和0.15 km；雙泵施工時，采用原葉輪和優化短排距葉輪所對應的排距最小值分別為2.1 km和0.7 km。從排距-產量曲線圖可以看出：單泵和雙泵時，采用原葉輪和優化短排距葉輪的排距產量曲線存在交點，交點排距分別為0.9 km和2.2 km，表明當排距低于交點排距時，相同排距下采用優化短排距葉輪產量更高，排距越小，產量相差越大；對于同時采用原葉輪或同時采用優化短排距葉輪時，雙泵施工時的最大產量要遠高于單泵施工的最大產量；排距在0.9～2.2 km范圍內，采用優化短排距葉輪雙泵施工時的產量要大于采用原葉輪單泵施工時的產量。綜上可知，采用優化短排距葉輪施工時的最優排距范圍為0.15～2.2 km。

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

5.2 能耗分析

圖8為不同排距、最大產量時泥泵單位時間內每公里單方耗功（單位時間內每公里單方耗功=功率/排距/產量，單位為kW/km/（m3/h））情況。從產量-每公里單方耗功曲線上可以看出：同時采用原葉輪或優化短排距葉輪時，單泵和雙泵每公里單方耗功最小值對應的經濟產量幾乎相同，其中采用原葉輪時的經濟產量為4 050 m3/h，采用優化短排距葉輪時的經濟產量為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，每公里單方耗功均存在最小值，其中，單泵時采用原葉輪和優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），雙泵時采用原葉輪和優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每公里單方耗功最小值對應的經濟排距分別為1.1 km和1 km，雙泵時每公里單方耗功最小值對應的經濟排距分別為3.2 km和2.7 km；單泵和雙泵時，優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個交點，單泵時2個交點對應排距分別為0.8 km和1 km，雙泵時分別為2.2 km和2.85 km，在交點范圍內時優化短排距的能耗要低于原葉輪；此外，采用優化短排距葉輪的雙泵和采用原葉輪的單泵存在交點，對應排距為1.6 km，當排距大于此值時，采用優化短排距葉輪雙泵的施工能耗更低。

圖8 最大產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，在不考慮產量、僅從經濟性角度上來看，優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 結語

1）通過結合切割定律和保角變換法，分別設計了水下泵和艙內泵短排距扭曲型葉輪。

2）通過數值模擬，對比分析優化設計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部流場，優化短排距葉輪的水下泵和艙內泵揚程和效率均滿足了設計要求，且最高效率均達到了86%以上；設計流量12 000 m3/h時，相較于切割葉輪，配置優化短排距葉輪的水下泵和艙內泵效率分別提高了1.1%和2.9%；水下泵短排距葉輪和切割葉輪內部流場均較為均勻；艙內泵短排距葉輪較切割葉輪的內部流場分布更為均勻，且無旋渦發生。

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量和最大濃度進行工況計算，當排距在0.15～2.2 km時，采用短排距葉輪時船舶的施工產量要大于采用原葉輪時船舶的施工產量。

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量時泥泵單位時間內每公里單方耗功進行計算，優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，單位時間內每公里單方耗功較低。