超大型耙吸船艙內(nèi)泥泵汽蝕性能分析

秦 亮 ，劉長海 ，李金峰 ，楊正軍

(1.中交天津航道局有限公司，天津300461；2.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津300457)

超大型耙吸船具有艙容大、挖深大、施工避讓靈活等優(yōu)點，是港口航道、吹填造地、海洋資源開發(fā)及海域國家重點工程不可替代的工程機械[1]，其核心設(shè)備是艙內(nèi)泥泵，與絞吸船艙內(nèi)泥泵相比，往往具有更大的流量、更好的吸入性能。大型耙吸挖泥船艙內(nèi)泥泵由于裝艙性能的需求，所配泥泵必須具有良好的汽蝕性能、較高的效率；而在裝艙能力提高的同時，船舶吹岸性能的要求也在提高，這又需要泥泵必須能在低、高轉(zhuǎn)速下均具有較高的效率和一定的排壓。在汽蝕模擬方面，國內(nèi)對水輪機的汽蝕模擬計算研究較多，已經(jīng)從二維發(fā)展到全三維流道解[2]，但有關(guān)疏浚泥泵的研究還鮮有報道。鑒于此，本文在超大型耙吸船汽蝕性能方面開展研究，建立汽蝕模型并進行驗證，在此基礎(chǔ)上進一步以實船為背景對某大型耙吸船泥泵的汽蝕性能進行分析，得到完整的泥泵汽蝕性能數(shù)據(jù)，以供船舶建造及工程施工參考。

1 超大型耙吸船泥泵模型建立及水力性能分析

耙吸船規(guī)格一般用艙容來劃分等級[3]，超大型耙吸船艙容大于等于1.7萬m3，其艙內(nèi)泥泵一般具有兩檔設(shè)計轉(zhuǎn)速，設(shè)計裝艙流量在2.5萬m3h左右，吹填流量在2.3萬m3h左右，葉輪直徑2.4～2.9 m。本文所選的研究對象為國內(nèi)首艘超大型耙吸船[4]，艙容1.8萬m3，首先建立泥泵流道模型，進行外特性計算，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比，以驗證模型的準確性，為根據(jù)泥泵效率變化計算得出的泥泵必需汽蝕余量NPSHr值提供依據(jù)。

建立了從進口至蝸殼出口的流道圖，并對進口流道、葉輪及蝸殼分別進行網(wǎng)格劃分，見圖1。各部分網(wǎng)格數(shù)量見表1。

圖1 泥泵內(nèi)流場計算模型及網(wǎng)格

表1 挖泥泵全流道數(shù)值模擬計算網(wǎng)格數(shù)量分布

本文采用了雷諾時均N-S方程[5]，具體形式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

νt=μtρ

(5)

(6)

式中：τij為雷諾應(yīng)力；μt為湍流黏性系數(shù)；k為湍動能；δij是“Kronecker delta”符號(當i=j時，δij=1；當i≠j時，δij=0)；cμ為經(jīng)驗系數(shù)，取0.09；ε為耗散率。k和ε采用下面輸運方程求解：

(7)

(8)

式中：Pk為湍動能生成項；σk和σε是湍流k和ε的普朗特數(shù)；c1和c2是模型系數(shù)[6]。

為了分析該泵在挖泥與排岸不同轉(zhuǎn)速、不同流量下的內(nèi)流場特性及水力外特性，分別對轉(zhuǎn)速為186、234 rmin下共10個流量(Q=1.0萬、1.2萬、1.4萬、1.6萬、1.8萬、2.0萬、2.2萬、2.4萬、2.6萬、2.8萬m3h)工況進行了全流道計算，計算的工作條件為清水，沒有考慮泥漿的影響。流場計算以吸入口、后間隙的入口作為進口邊界，在其上給定速度值(根據(jù)流量值確定)；以泵體出口為出口邊界，在其上給定參考壓力值；其余為無滑動固壁條件，泵的揚程為出口和進口壓力的差值。圖2為兩種轉(zhuǎn)速下計算得到的水力性能曲線，還分別給出了該泥泵的測試數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬計算結(jié)果。從圖2a)可以看出，流量-揚程曲線在大流量時要稍高于測試結(jié)果，而在小流量時要稍低于測試結(jié)果，但總體誤差在5%以下；從圖3b)流量-效率曲線來看，在設(shè)計點工況附近數(shù)值模擬計算結(jié)果與測試結(jié)果吻合度較高，小流量的計算效率要低于測試結(jié)果；圖2c)流量-功率曲線吻合度較好，總體誤差在3%以下。

圖2 挖泥泵性能曲線

2 泥泵汽蝕性能

2.1 汽蝕模型

汽蝕是流體機械運行中的普遍現(xiàn)象，當液體中某區(qū)域壓力低于此溫度下的汽化壓力時發(fā)生汽蝕[7]。汽蝕是泥泵運行中常見的危害，汽蝕發(fā)生時影響泵的吸入效率、導致吸入濃度降低等，嚴重時發(fā)生振車或斷流、威脅結(jié)構(gòu)安全與輸送系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

在挖泥泵中，汽蝕發(fā)生的局部低壓區(qū)同時也是速度較高的區(qū)域。在這一區(qū)域中，空泡相與水流相之間的速度滑移作用相對很小。可以認為空泡相與流體相達到了動力平衡與擴散平衡，即認為流道內(nèi)各處空泡與水流的時均速度相等，空泡擴散相當于水流的擴散(擴散平衡)，空泡的湍流擴散相當于水流的湍流擴散(湍流擴散平衡)，把空泡相和水流相作為統(tǒng)一的流體加以研究，因此本文中的汽蝕流動計算應(yīng)用的是混合流體無滑移模型。同時全面考慮汽蝕發(fā)生時的主要物理過程，即：相變過程中空泡的產(chǎn)生與消亡、空泡的輸運、湍流壓力和速度脈動的影響、流體中含有的其他不溶解性氣體的影響，應(yīng)用完整汽蝕模型(full cavitation model)來處理汽蝕過程。

在空泡相和流體相不存在滑移的流動中，空泡的動力學特性方程可以由Rayleigh-Plessst方程得到：

(9)

式中：t為時刻；p為壓力；RB為空泡半徑；pv為泡壁壓力，pv=3 540 Pa；ρf為流體密度；σ為空泡壁的張力系數(shù)。

2.2 典型工況汽蝕性能

由于大型泥泵對汽蝕性能要求高，長期以來國內(nèi)大型耙吸船的泥泵以采購為主，國外公司提供的泥泵汽蝕余量曲線多以效率下降5%為臨界汽蝕點，從數(shù)據(jù)資料表象上顯示抗汽蝕性能良好。經(jīng)過長期的摸索及參照相近行業(yè)泵試驗規(guī)程，筆者認為泵效率下降3%時為臨界汽蝕點對泵的性能要求更為嚴格也更為合理。因此按照此標準進行泥泵必需汽蝕余量計算。

圖3給出了轉(zhuǎn)速n=186 rmin、流量Q=2.8萬m3h時挖泥泵效率與泥泵必需汽蝕余量的關(guān)系，該工況下，泥泵必需汽蝕余量為5.51 m。

圖3 n=186 rmin、Q=2.8萬m3h時挖泥泵汽蝕性能分析

2.3 泥泵汽蝕性能曲線

該泵在造船期間廠家未提供完整的泥泵汽蝕余量曲線，只給出挖泥裝艙設(shè)計轉(zhuǎn)速186 rmin下、流量為2.4萬m3h時的NPSHr值約為4 m的說明。該值為參考國外相近規(guī)格泥泵給出。為了進一步全面分析該挖泥泵的汽蝕性能，為船舶施工使用提供依據(jù)，對該泵在轉(zhuǎn)速為186、234 rmin下不同的工況(Q=1.2萬、1.8萬、2.2萬、2.4萬、2.8萬m3h)進行汽蝕性能全面計算[8]。

表2給出了不同工況下泥泵的必需汽蝕余量。圖4為兩種轉(zhuǎn)速(n=186 rmin和n=234 rmin)下泥泵必需汽蝕余量(NPSHr)與流量的關(guān)系?？梢钥闯鲈摫迷谠O(shè)計裝艙轉(zhuǎn)速及流量下的必需汽蝕余量為4.11 m，略高于國外相近規(guī)格泥泵汽蝕性能。隨著流量的增大，泥泵抗汽蝕性能變差，隨著轉(zhuǎn)速的提高必需汽蝕余量也略有提高，符合流量-汽蝕曲線的一般規(guī)律。

表2 不同工況下挖泥泵的必需汽蝕余量 m

圖4 挖泥泵不同轉(zhuǎn)速下汽蝕性能

該船泥泵汽蝕性能的全面獲得對指導施工使用的意義重大，解決了駕駛操作人員在不同轉(zhuǎn)速、不同流量下泥泵吸入真空值控制沒有依據(jù)的問題。按此結(jié)果施工，多年來船舶施工質(zhì)量控制良好，既保證了產(chǎn)量，泥泵也未出現(xiàn)大的汽蝕問題。

從以上汽蝕分析可知，目前的汽蝕計算方法能很好地捕捉到汽蝕的初生、發(fā)展等特性，是一種有效的預測泥泵汽蝕性能的方法。

3 結(jié)論

1)結(jié)合完整汽蝕模型及效率連續(xù)變化分析可獲得超大型耙吸船艙內(nèi)泥泵汽蝕性能。

2)獲得了國內(nèi)首條超大型耙吸船艙內(nèi)泥泵裝艙與抽艙兩種工況不同流量下的完整汽蝕性能數(shù)據(jù)。

3)船舶多年來按照該研究獲得的汽蝕標準進行施工，效果良好，保證了施工效率及裝備的完好率。

4)通過流體動力學方法可以得到完整的泥泵汽蝕性能，解決了國產(chǎn)超大型耙吸船泥泵缺少汽蝕性能數(shù)據(jù)的問題。