泥沙濃度對旋流泵性能影響的試驗研究

鐘衛(wèi)華，李洪彬，王 勇，蔣 爽，王 珺，倪福生*

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

隨著新時代中國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求，以及環(huán)保意識的與日俱增，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的堵塞問題。因其簡單的造型和特殊的性能優(yōu)勢，旋流泵已成為城鄉(xiāng)河網(wǎng)清淤機械使用的主要泵型，并逐漸得到越來越廣泛的應(yīng)用[5]。但是旋流泵的高通過性是以犧牲泥泵效率為代價的，其最高效率一般不超過60%[6]，遠遠低于其他類型葉片泵。為提高旋流泵的效率，眾多學(xué)者開展了諸多試驗研究和數(shù)值模擬研究。然而，學(xué)者們的大多試驗和模擬都是針對清水流場工況。需要注意的是，針對清淤疏浚工程中泥沙濃度對旋流泵性能影響的試驗研究較少。旋流泵的結(jié)構(gòu)與常規(guī)泥泵存在顯著差異，泵內(nèi)兩相流場具有高度復(fù)雜性。目前大多從內(nèi)部流場來分析旋流泵性能[7-14]，泥沙濃度對旋流泵效率的影響尚無統(tǒng)一結(jié)論。

為此，本文針對某大流量無堵塞旋流泵開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，獲得了旋流泵的揚程和效率等性能參數(shù)，同時得到了各性能參數(shù)隨泥沙濃度的變化規(guī)律。

1 試驗裝置

本文所使用的試驗臺是河海大學(xué)疏浚教育工程中心研制的大流量旋流泵穩(wěn)定無堵塞試驗裝置，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)測量儀器組成，其中旋流泵為XLB-550泵型。為方便觀察管道內(nèi)流體流動情況，在旋流泵進口前段位置安置了一截透明有機玻璃管道，通過該段透明管路可以很清晰地觀察清水紊流狀態(tài)和輸沙時的泥沙分布情況。本次試驗主要研究清水流場中旋流泵的揚程、軸功率和效率等性能參數(shù)隨流量的變化情況，以及輸送泥沙時泵性能參數(shù)在不同泥沙濃度下的變化。為得到旋流泵揚程，根據(jù)伯努利方程，需測得泵進出口截面的壓力，本試驗裝置中采用壓力傳感器，量程0～5 MPa。管道流速用于計算有效功率，采用電磁流量計測量豎直管道上內(nèi)部流體的垂直流速，由此可推算出旋流泵的進口流量。另外，為計算旋流泵的軸功率，還需測得電機扭矩，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對象，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)計工況下的主要性能參數(shù)如下：流量550 m3/h，揚程29 m，轉(zhuǎn)速950 r/min。其關(guān)鍵部件包括葉輪、葉片、無葉腔和泵進出口管道，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°，無葉腔寬度為160 mm，進口直徑為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 實驗過程

本次試驗共有兩組，分別為輸送清水試驗和輸送泥沙試驗?？紤]到實際使用時該旋流泵主要運行在約500 r/min，故試驗時均采用該轉(zhuǎn)速。首先進行了一組清水流場性能試驗，管道內(nèi)流速大小通過電動閘閥來控制。為了檢驗測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，改變輸送流量由小到大再由大到小進行了多次反復(fù)實驗。在清水性能試驗的基礎(chǔ)上，繼續(xù)做水沙兩相流性能試驗，轉(zhuǎn)速同樣穩(wěn)定在500 r/min。本次試驗選用中值粒徑1 mm、沙粒密度2 540 kg/m3的長江口泥沙。清淤工程中，為保證施工效率，需采取較高的泥沙濃度[15]，本文試驗依據(jù)實際施工的正常工況，設(shè)計的泥沙濃度Cv分別為6.5%、13%、19.5%，對應(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算出需加入的泥沙量，但由于測量誤差以及搬運過程中發(fā)生散落，實際試驗的泥沙濃度與設(shè)計值會存在差別。實驗時采用密度計來精確監(jiān)測實際管道內(nèi)的水沙混合物密度，并依據(jù)式(1)計算泥沙濃度。此外，旋流泵揚程H、軸功率P和效率η的具體計算公式依次見式(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為輸送清水時揚程，m(水柱)；Hm為輸送泥沙時揚程，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)測量為ρs=2 540 kg/m3，水沙混合物密度則采用密度計的實際測量值；p1、p2分別為泵進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

為了與輸沙性能進行比較，提取了旋流泵輸送清水的性能曲線。重復(fù)性試驗的數(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)進行說明，如圖3中的清水曲線所示?？梢钥吹?，清水流場環(huán)境中旋流泵所得性能曲線發(fā)展趨勢與傳統(tǒng)泥泵基本一致，揚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效率最高，之后隨流量增大而減小。

為分析泥沙濃度對旋流泵性能的影響，將500 r/min下，不同泥沙濃度的旋流泵性能曲線與相應(yīng)的清水工況時旋流泵性能曲線進行比較，如圖3所示。可以看到，在各泥沙濃度下，泵的揚程、軸功率和效率隨流量的變化趨勢與清水流場基本相似。而隨著泥沙濃度的增加，泵的揚程逐漸下降，軸功率則逐漸升高，效率逐漸降低。其原因主要是，兩相流場受泥沙影響較大，液流裹挾泥沙流動需要消耗能量，泥沙顆粒之間以及其與泵殼、泵葉表面的摩擦亦加大，同時泥沙運動慣性較大，會在兩相流場中產(chǎn)生更多漩渦與二次流動，這都增加了兩相流動的損失與所需動力。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

為進一步定量分析揚程和效率的下降值與泥沙濃度的關(guān)系，定義揚程比降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，對圖4揚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，可見公式具有較高的擬合度。同時可以看出，在本文泥沙濃度范圍內(nèi)，揚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，就可據(jù)此推斷出旋流泵相應(yīng)的揚程和效率，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

通過改變泥沙濃度，對旋流泵性能進行了試驗。結(jié)果顯示，泥沙對旋流泵性能存在顯著影響；隨著泥沙濃度的增加，旋流泵揚程和效率比降均呈現(xiàn)線性增加趨勢；在本文泥沙濃度范圍內(nèi)，揚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)計提供了一定的依據(jù)，為了能使旋流泵獲得高效設(shè)計，需要考慮泥沙等介質(zhì)及固體相濃度對泵性能的影響。