莊海飛,劉明明,蘭 劍
(中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司,上海 201208)
泥泵作為疏浚船舶的關鍵裝備,當疏浚施工中的土質、輸送距離等發(fā)生變化時,泥泵性能與輸送系統(tǒng)的匹配性將影響挖泥船的效能發(fā)揮[1-3]。
泥泵性能直接影響挖泥船的施工效率。國內學者對泥泵性能進行相關的研究:彭光杰等[4]分析泥泵的數(shù)值模擬預測和實測的外特性曲線,預測揚程與實測符合較好;楊赟卿等[5]采用CFD(computational fluid dynamics,計算流體動力學)方法,通過流場分析研究葉片型線和數(shù)量對泥泵內部壓力和速度的影響;莊海飛等[6-7]結合數(shù)值模擬和模型試驗的方法對挖泥船泥泵進行優(yōu)化設計,泥泵效率達到86%,4 500 m3耙吸挖泥船“航浚4006”輪的兩臺艙內泥泵改造后,泥泵效率提高了25%,提升了挖泥濃度和生產(chǎn)率,節(jié)能增效成果顯著;翟琦瑋[8]分析絞吸船在長、短排距工況施工的應對措施,通過適當改變泥泵轉速和合理布置管線,提高施工效率。
考慮施工工況會隨著工程進行不斷發(fā)生變化,如絞吸挖泥船的排泥管線長度較短時,通常稱為短排距工況,此時排泥管路管阻特性曲線與泵揚程特性曲線的交點向大流量偏移,但流量過大會造成泥泵的原動機超載,無法正常施工。
目前國內大多數(shù)絞吸挖泥船普遍采用柴油機經(jīng)減速箱直接驅動泥泵,柴油機不能長期在低轉速下運行且調速范圍較小,降低泥泵轉速受到限制;施工中通常采用管線末端縮口增加管線阻力,進而調節(jié)泥泵工況點,但過小的縮口相當于“消能器”,這種方式浪費能源,不符合當今綠色發(fā)展、節(jié)能減排的要求。針對3 500 m3/h系列絞吸挖泥船的短排距工況,對泥泵葉輪進行改型優(yōu)化,適當降低泥泵揚程,減小泥泵功率,提高泥泵性能對短排距工況的適應性,通過更換短排距葉輪代替或減少管線縮口的使用,達到節(jié)能目標。
調研3 500 m3/h絞吸挖泥船“新海鷺”輪的施工需求可知,該船配置水下泥泵和艙內泥泵,其中水下泥泵為1號泵,吸口直徑900 mm,葉輪直徑1 850 mm,額定轉速245 r/min;艙內泥泵為2號泵,吸口直徑900 mm,葉輪直徑2 550 mm,額定轉速257 r/min。挖泥施工時,兩泵串聯(lián),在短排距工況下設計專用葉輪,保持葉輪外徑、葉輪進口直徑和葉輪出口寬度等尺寸相同,可通過減少葉片數(shù)和優(yōu)化葉片型線的方法降低泥泵揚程,同時降低泥泵功率且提高泥泵效率,改型葉輪的泥泵效率目標為短排距工況節(jié)能10%以上。“新海鷺”輪的施工流量與土質、排距等工況有關,但是流量通常在8 000~12 000 m3/h的范圍內,取流量為10 000 m3/h的性能參數(shù)為優(yōu)化對象,原泥泵參數(shù)與改型泥泵的目標參數(shù)見表1。
表1 原泥泵參數(shù)與改型泥泵目標參數(shù)
水下泥泵和艙內泥泵葉片均采用設計扭曲葉片的方法繪型[9],葉片二維型線見圖1,其中β1為進口角,β2為出口角,φ為葉片包角。
圖1 葉片二維型線
本葉片采用保角變換法設計扭曲葉片,原設計葉片數(shù)為5,新設計葉片數(shù)為3,葉片參數(shù)見表2。葉片由壓力面向吸力面均勻加厚,水下泵和艙內泵葉片設計厚度與原泵葉片相同,均為80 mm。
表2 葉片主要參數(shù)
CFD技術已成功應用于疏浚泥泵的流場分析及外特性預測,其成本低、周期短,尤其是大型泥泵的室內試驗條件受限的情況下,數(shù)值模擬可在一定條件下代替試驗。應用CFD技術對泥泵內部流場進行模擬分析,不僅可以節(jié)省有限的試驗資源,還可以顯示壓力分布、流速分布等許多流場內部的特性細節(jié)[10]。
為保證計算精度,本文采用蝸殼和葉輪耦合求解的方法,簡化水體計算域。泥泵全流道模型由進口水體、葉輪水體、蝸殼水體3部分組成(圖2),其中出口延長段設置在蝸殼水體上,進出口延長3倍管徑以保證進出口段流動為均勻對稱流。
圖2 三維泥泵水體
數(shù)值模擬采用ANSYS 18.1軟件,選用標準k-ε湍流模型(k為湍動能,ε為湍流耗散率),對水下泥泵和艙內泥泵的多個流量工況進行三維流場模擬,采用四面體網(wǎng)格、fluent模塊進行求解計算,并將計算結果導入CFD-Post軟件中進行后處理,并經(jīng)過多次優(yōu)化,直至葉輪流道內無漩渦發(fā)生,如圖3所示。結合CFD模擬計算,得到葉輪多次優(yōu)化后的泥泵水力方案,設計水下泵和艙內泵的性能與目標參數(shù)的對比情況見表3??梢钥闯?,揚程和功率計算結果基本達到了設計要求。
圖3 葉輪中截面相對速度
表3 改型泥泵性能參數(shù)與目標參數(shù)對比
對“新海鷺”輪在施工現(xiàn)場進行泥泵葉輪更換前后的清水性能測試,測試前對真空傳感器、壓力傳感器以及電磁流量計進行校準,泥泵泵軸安裝應變片式測功儀,如圖4所示。泥泵穩(wěn)定運行10 min記錄泥泵性能數(shù)據(jù),記錄3組數(shù)據(jù),取平均值。通過相似換算將泥泵測試性能全部轉換為額定轉速時的性能。
圖4 泵軸測功儀
改型葉輪更換前后揚程和功率的測試性能曲線對比見圖5??梢钥闯觯搩缺迷诹髁?.0萬m3/h時,測試揚程為68 m,測試功率為2 352 kW,與計算結果相差不大,驗證了艙內泵改型葉輪的水力性能;與更換葉輪前相比,更換改型葉輪后艙內泵不同流量下的測試揚程和功率普遍較低,且效率普遍得到提升,其中流量1.0萬m3/h時,測試揚程降低7 m,功率降低約400 kW,效率提高約8%,短排距葉輪最高測試效率81%。
圖5 改型葉輪更換前后揚程和功率的測試性能曲線對比
水下泵在流量1.0萬m3/h時,測試揚程為30.2 m,測試功率為1 089 kW,與計算結果相差不大,驗證了水下泵改型葉輪的水力性能;與更換葉輪前相比,改型葉輪后水下泵不同流量下的測試揚程和功率普遍較低,且效率普遍得到提升,其中流量1.0萬m3/h時,揚程降低2 m,功率降低約100 kW,效率提高約5%,短排距葉輪最高測試效率77%。
艙內泵和水下泵串聯(lián)在流量1.0萬m3/h時,功率共降低500 kW,揚程降低9 m,效率提高4.8%。清水測試結果表明,泥泵更換為短排距專用葉輪后,性能得到驗證,達到了設計指標,并為后續(xù)的工況計算和施工應用提供數(shù)據(jù)基礎。
通過管路的泥漿管阻曲線和泥泵的泥漿揚程曲線相交,得到泥泵工作點,如圖6所示。通過分析預測粉砂泥漿土質的工況點,對比通用葉輪和短排距葉輪的泥泵單位能耗以及土方生產(chǎn)率,分析短排距葉輪在相應短排距工況的優(yōu)勢。泥泵單位能耗為泥泵將每立方米水下天然土方輸送1 km距離所消耗的功率,單位為kW/(m3·km);土方生產(chǎn)率為每小時輸送的水下天然土方,單位為m3/h。
圖6 泥泵工況交點
管阻計算采用如下公式:
(1)
式中:Im為每米長度管路的阻力降;λ為清水管阻系數(shù),取0.012;α為試驗修正系數(shù),取1.168;v為管道內漿體平均流速;D為管道內徑,取0.85 m;vss為顆粒沉降速度,取0.001 m/s;ρm為泥漿混合物密度;ρw為清水密度,取1 t/m3;ρs為粉砂顆粒密度,取2.65 t/m3;Cs為土顆粒濃度,按下式計算[11-12]:
(2)
泥泵的泥漿外特性系數(shù)[13]根據(jù)實船采集的泥泵性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計擬合得到,適用于含有粉砂的泥漿,泥漿密度范圍1.1~1.3 t/m3,泥漿揚程和泥漿功率的修正折算公式分別為:
Hm=(1.079 7-0.084 7ρm)ρmHw
(3)
Pm=(0.947 9+0.050 8ρm)ρmPw
(4)
式中:Hm、Hw分別為泥漿揚程、清水揚程;Pm、Pw分別為泥漿功率、清水功率。
每組平均施工數(shù)據(jù)為挖泥船連續(xù)施工4 h的平均數(shù)據(jù),施工數(shù)據(jù)每隔30 s自動采集一組。計算預測數(shù)據(jù)與施工實際采集數(shù)據(jù)對比見表4??梢钥闯觯r計算的流量點與實際施工偏差較小。
表4 理論計算工況點與實際工況對比
以上對比結果驗證了計算方法的準確性。在此基礎上,計算不同排距的工況點,分析該工況點的生產(chǎn)率、單位功耗,得到排距-功耗曲線和排距-生產(chǎn)率曲線,見圖7。
圖7 不同排距下單位功耗和生產(chǎn)率
通過對比不同排距的單位功耗和生產(chǎn)率,得到短排距葉輪的適用排距范圍為2.0~4.5 km,在該范圍內,排距越短,生產(chǎn)率提升效果越大,同時節(jié)能效果越明顯。當排距在4.6 km,短排距葉輪和通用葉輪生產(chǎn)率相當,單位功耗降低20%以上。當排距大于4.5 km,短排距葉輪的單位功耗以及泥泵功率均低于通用葉輪,短排距葉輪生產(chǎn)率也低于通用葉輪,可以根據(jù)節(jié)能和生產(chǎn)率的需要判斷采用短排距葉輪或者通用葉輪。
為短排距設計制造的3 500 m3/h絞吸挖泥船艙內泵和水下泵葉輪應用在“新海鷺”輪,進行海門中天鋼鐵產(chǎn)業(yè)基地地塊整理工程施工,在相近排距下葉輪更換前后各15 d的油耗見表5。葉輪更換前后管線長度均為3.4 km。更換短排距葉輪前,采用原葉輪的“新海鷺”輪累計產(chǎn)量39.35萬m3,累計油耗238 t,耗時183.3 h,平均生產(chǎn)率2 146 m3/h,萬立方米油耗6.05 t,更換短排距葉輪后,“新海鷺”輪累計產(chǎn)量39.71萬m3,累計油耗208 t,耗時180.6 h,平均生產(chǎn)率2 199 m3/h,萬立方米油耗5.24 t。對比可得,“新海鷺”輪更換短排距葉輪后,在相近排距、同一地點施工,相同工況下生產(chǎn)效率接近,但更換短排距葉輪后,萬立方米油耗節(jié)省13.4%。
表5 “新海鷺”輪施工油耗
葉輪更換前后分別施工180 h左右,總油耗節(jié)約30 t,按照全年相近工況施工合計3 600 h計算,每年將節(jié)約燃油消耗600 t,預計年節(jié)能874.26 t標煤,節(jié)能減排非常明顯。由于泥泵葉輪為易損件,僅更換葉輪的成本小,可以在相同船型的近似工況下進一步推廣應用。
1)研制出艙內泥泵和水下泥泵的短排距專用葉輪,實船清水測試表明,與通用葉輪相比,短排距葉輪共降低功率500 kW。
2)CFD模擬分析可知,短排距葉輪流道相對速度沿著葉片方向,無明顯漩渦,提高了水力性能。
3)改型葉輪得到工程應用,3.4 km排距的粉砂土質工況,兩泵串聯(lián)施工相比,更換葉輪后,生產(chǎn)效率接近,單位能耗降低13.4%,節(jié)能效果顯著。
4)短排距葉輪大幅減少功率損耗,且根據(jù)排距對泥泵揚程的需要,葉輪可通過個性化設計和水力優(yōu)化,保證較高的水力效率,提高絞吸船對不同施工排距的適應性。