于揚(yáng)春，蔣烈文

(上海船廠船舶有限公司，上海 200082)

0 引言

艙底水系統(tǒng)是船舶的重要組成部分，其功能是將艙底積水排出舷外（機(jī)器處所的艙底水經(jīng)過處理后排出），而且在應(yīng)急情況下，依靠它來排出由于船體破損而大量進(jìn)入的海水。公司為德國漢堡公司建造的3800箱集裝箱船是按德國勞氏船級社(以下簡稱“GL”)規(guī)范建造，根據(jù)輪機(jī)工程手冊，艙底水泵的壓頭（揚(yáng)程）一般為0.2MPa～0.3MPa，大型船舶艙底水泵的壓頭為0.5MPa，而兼著消防泵時(shí)其揚(yáng)程一般為0.5 MPa～0.8MPa（50m～80 m）[1]。本文通過該船實(shí)船方案設(shè)計(jì)階段的分析，對艙底水泵選型進(jìn)行了計(jì)算和分析。

1 技術(shù)參數(shù)

本船垂線間長Lpp為228m，船寬B為37.30m，至艙壁甲板的型深D為19.60m。

2 艙底水泵選型計(jì)算

2.1 艙底水泵數(shù)量及流量確定

根據(jù)GL船級社規(guī)定：

其中，d1為艙底水總管的計(jì)算內(nèi)徑。因此，d1=211.9mm。取艙底水總管φ273×9.5mm。

2.2 艙底水泵的排量

每臺艙底水泵必須能傳送：

其中，Q為最小排量，m3/h；dH=d1為艙底水總管的計(jì)算內(nèi)徑，mm。

根據(jù)規(guī)范，一般大于2000總噸的貨船選擇兩臺獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的有自吸能力或帶自吸裝置的艙底泵。故該船選取兩臺獨(dú)立動(dòng)力帶自吸裝置的艙底水泵。

2.3 艙底水泵的壓頭計(jì)算

泵是用來提供液體機(jī)械能的一種機(jī)械，按用途可以分為輸送液體為主的輸送泵和以能量傳遞為主的液壓泵。艙底水泵作為一種輸送泵，其揚(yáng)程選擇主要是由總流能量方程（伯努利方程）來確定，具體如下：

其中：

位置高度z是給定值；重度γ可根據(jù)密度ρ由公式γ=ρg計(jì)算得出；流速v可由流量Q和管徑d得出:；沿程水頭損失;局部水頭損失；動(dòng)能修正系數(shù)α在紊流時(shí)通常為1，層流時(shí)則為2，由于層流的情況比較少，故工程上通常取為1。

因此，泵所產(chǎn)生的揚(yáng)程主要是用于克服吸、排管路間的壓力差 、高度差 與管路阻力∑h，即：。

3 管路阻力的計(jì)算

3.1 液流流態(tài)判斷及沿程阻力系數(shù)的確定

沿程阻力系數(shù)通常與流態(tài)、壁面狀況、斷面特性等因素有關(guān)。液流流態(tài)是通過雷諾數(shù)來判斷，雷諾數(shù)為：

其中，v為管道中平均流速；d為管道直徑； 為運(yùn)動(dòng)粘度。

臨界雷諾數(shù)為：

由于臨界流速有兩個(gè)，因此臨界雷諾數(shù)也有兩個(gè)，即上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)上臨界雷諾數(shù)易受外界干擾，數(shù)值不穩(wěn)定，下臨界雷諾數(shù)卻是個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值。因此一般以下臨界雷諾數(shù)作為判別流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)得到管流的下臨界雷諾數(shù)為Rec=2320。

當(dāng)管中Re小于Rec時(shí)，管中液流為層流；當(dāng)管中Re大于Rec時(shí)，管中液流為紊流。圓管的沿程阻力系數(shù)λ的確定分以下三個(gè)區(qū)進(jìn)行[4]：

1）當(dāng)Re小于2320時(shí)，液流流態(tài)為層流，沿程阻力系數(shù)λ=64/Re；

2）當(dāng)2320≤Re≤4000時(shí)，流態(tài)不穩(wěn)定，處于臨界狀態(tài)，流態(tài)由層流開始轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，沿程阻力系?shù)由扎依欽科經(jīng)驗(yàn)公式求得λ=0.0025Re1/3；

3）當(dāng)Re不小于4000時(shí)，流態(tài)為紊流，沿程阻力系數(shù)由柯列布魯克公式求得：

其中，△為管材當(dāng)量粗糙度。

3.2 局部水頭損失計(jì)算

各種局部阻力損失的形式雖然不同，但造成損失的物理因素是相同的，都可以用來表示。局部阻力系數(shù)很難從理論上得出數(shù)據(jù)，一般都是通過實(shí)驗(yàn)測得，可以從相關(guān)的手冊中直接查到。一般對于船舶來說，艙底水的排出是經(jīng)由污水井、泥箱、截止止回閥、艙底水泵、截止閥、舷旁截止止回閥等而排出舷外的，而管路中的閥附件、彎頭等是局部阻力造成的重要因素，本船艙底水總管為Φ273×9.5mm（及通徑DN250），由設(shè)計(jì)手冊中查出泥箱的局部阻力系數(shù)ξ1=2.6，截止止回閥ξ2=2.5，截至閥ξ3=2.1。由于管路走向要具體放樣才能確定，粗略估算為兩個(gè)彎曲半徑為3倍內(nèi)徑的90°彎頭和25°左右的折角彎，其局部阻力系數(shù)ξ4=1.5[5]，因此：

3.3 管路總阻力

其中，k為富裕系數(shù)，取k=1.5，故∑h=1.5×（2.04+4.25）=9.5m。

3.4 泵的揚(yáng)程估算

4 結(jié)束語

本文通過3800TEU艙底水泵選型計(jì)算和分析，明確了泵的選型需要注意船檢社的要求以及實(shí)船對泵的流量和壓力的要求，對如何選擇最佳設(shè)備提供了參考和計(jì)算依據(jù)。

[1]陳紹綱.輪機(jī)工程手冊[M].北京: 人民交通大學(xué)出版社, 1992:861-875.

[2]GL.Rules & Guidelines[S].2011:11-37.

[3]鄭士君, 孫永明.船舶輔機(jī)[M].大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2003: 2-5.

[4]郭榮良.流體力學(xué)及應(yīng)用[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1996:136-13.

[5]陳可越.輪機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M].北京: 中國交通出版社, 2007:430-447.