4 500 m3耙吸挖泥船用高效泥泵的研究与应用

庄海飞，杨晨，胡京招

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

4 500 m3耙吸挖泥船用高效泥泵的研究与应用

庄海飞，杨晨，胡京招

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

基于CFD和模型试验，研制了离心式高效泥泵，成功应用于4 500 m3耙吸挖泥船的泥泵改造。应用流体仿真软件，模拟了新设计高效泥泵的三维流场，预测了水力性能；基于相似定律，按照0.694的比例制造了模型泵，在试验台上进行了清水外特性试验，验证了高效泥泵的水力性能。泥泵改造后的实船清水测试表明，在流量9 000～ 11 000 m3/h，右泵测试效率达到80%～87%，左泵测试效率均达到78%～86%；跟踪采集挖泥数据，改造后左泵泥浆密度由1.25 t/m3提高至1.30 t/m3，流量由7 667 m3/h提高至8 183 m3/h，改造后生产效率得到明显提高，同时降低了油耗，达到了节能增效的目标。

耙吸挖泥船；泥泵；CFD；模型试验；应用

0 引言

随着近年我国沿海地区的围海造地、大型深水港工程建设的大规模开展，如天津临港工业区、黄骅港、厦门港等大型深水港航道建设，这些大型疏浚工程都对耙吸挖泥船的高效施工提出了更高要求。建于20世纪70年代的6艘4 500 m3耙吸挖泥船——航浚4001、4003、4006（图1）、4007、4008、4009轮，在海内外的河口、航道、码头、沿海地区的疏浚作业中至今仍发挥着非常重要的作用。

4 500 m3耙吸挖泥船“航浚4006”等由于服役期限较长，泥泵采用30 a前的技术，叶轮为圆柱叶片，泥泵效率约在60%，且由于泥泵效率低，造成驱动柴油机长期运行在低速区，降低了能耗利用率。

该系列挖泥船在一些重大工程中难以适应高效施工要求，故必须对关键疏浚设备进行升级换代，提升疏浚能力和降低能耗。输送系统包括泥泵，吸入管路和排出管路、泥泵驱动柴油机、齿轮箱等，如对整个输送系统进行升级改造，成本高、周期长，而输送系统的核心设备是泥泵，通过研发与原船管路匹配，与目前柴油机相适应的高效泥泵，达到提高挖泥船施工效率的目标。国外先进的挖泥船目前均采用了高效泥泵以提高疏浚效率，国内许多学者也对高效泥泵进行了大量研究，彭光杰采用数值模拟方法预测了泥泵的外特性曲线，表明预测扬程与实测性能曲线符合很好，在小流量区的清水效率误差较大[1]，张晓娜采用数值模拟方法对泥泵叶轮进行了优化设计，提高了泥泵的扬程和效率[2]，笔者曾结合数值模拟和模型试验的方法对挖泥船泥泵进行了优化设计，提高了泥泵效率[3]。

1 基于CFD的泥泵优化设计

1.1 泥泵设计参数确定

为确定4 500 m3耙吸挖泥船原泥泵的真实性能，在黄骅工地，对“航浚4006”轮上的原泥泵进行了清水性能测试，发现在不同转速下的泥泵效率均比较低，清水效率60%～70%左右，柴油机500 r/min时可提供最大功率840 kW左右。

根据柴油机可提供功率和原泥泵管路布置，以及施工工况对泥泵的要求，新设计泥泵额定流量为10 000 m3/h，扬程17 m，转速200 r/min，泥泵吸口直径0.9 m，高效泥泵叶轮采用空间扭曲叶片，额定工况效率要求达到85%。

1.2 泥泵设计及性能预测

叶轮通过旋转产生离心力，将机械能转换为流体的压能，是泥泵最重要的过流部件。研究表明，泥泵采用扭曲叶片，更符合流动规律，减小脱流和漩涡，不但提高效率，而且减轻磨损。原泥泵采用圆柱叶片，效果不好，因此，新泥泵叶片应当采用设计扭曲叶片的方法来绘型[4]。泥泵基本尺寸：进口900 mm，排口750 mm，叶轮外径1 790 mm，叶轮出口宽度380 mm，叶片数4，泥泵三维水体见图2。

图2 泥泵DRC179-900水体Fig.2 Computational domain model of dredge pump DRC179-900

计算流体动力学（CFD）技术已广泛用于流体机械内部流动分析及其性能预测，其成本低，效率高，方便快捷。利用数值计算模拟的方法对泥泵的内部流动进行全三维流场模拟，不仅节省实验资源，还可显示许多场特性细节[5]。DRC179-900型高效泥泵全流道模型由进口、叶轮、蜗壳3部分组成，模拟采用蜗壳和叶轮耦合求解的方法。

结合CFD流场模拟计算，得到叶轮和蜗壳多次优化后的泥泵水力方案，并通过数值模拟得到转速200 r/min的预测外特性曲线，额定工况点的性能达到了设计要求（表1）。

表1 额定工况点比较Table 1 Comparison of rated conditions

原泵与新泵的设计曲线及参数对比见图3。在流量8 000～10 000 m3/h，新泵扬程比原泵小0.2～0.8 m，效率提高了15%～19%，在额定流量点10 000 m3/h，新泵比原泵扬程小0.8 m，新泵清水效率比原泵提高了15.8%。

图3 原泵和新泵性能曲线对比Fig.3 Comparison of performance curves between original pump and new pump

1.3 泥泵流场分析

如泵内流场分布符合流动规律，则反应了该泵将机械能转化的效率较高。图4给出了叶轮子午面的压力分布，在叶轮内的流体压力沿着半径的压力梯度变化比较均匀；叶片进口背面低压区面积较小（见图5），表明该泵有较好的抗气蚀性能；子午面相对速度方向均沿着叶片，叶轮流道及隔舌附近无漩涡区（图6），表明该叶片设计有利于提高泵的水力效率。

图4 泥泵子午面压力分布云图Fig.4 Pressure nephogram of meridian plane of dredge pump

图5 叶轮压力分布云图Fig.5 Pressure nephogram of impeller plane

图6 子午面相对速度分布Fig.6 Relative velocity vector of meridian plane

2 泥泵的模型试验

根据相似理论，按0.694的尺寸比例制作了模型泵。模型泵试验测试台（图7）的功率配备315 kW，采用变频电机，泵转速200～360 r/min可调。模型泵测试结果按标准GB/T 3216—2005[6]转换为实泵的水力性能曲线后与数值模拟的性能曲线对比见图8。

图7 模型泵试验台Fig.7 Model pump test bed

图8 模型泵换算至实泵性能曲线对比Fig.8 Comparison of performance curves for the conversion of model pump to real pump

与高效泥泵模拟预测性能参数相比，在流量8 000～10 000 m3/h，扬程相对误差2.0%～2.5%，功率相对误差1.0%～2.5%，效率误差0.2～1.3个百分点，表明扬程和效率的模拟值与试验值相符很好，该高效泵的水力性能通过模型试验得到了验证。

3 泥泵实船清水测试

原泵体部分重量约35 t，新泵体（图9）重量约19 t，比原泵减轻46%。“航浚4006”轮完成新泵的安装后，在舟山某码头进行泥泵清水测试，新泥泵200 r/min测试性能曲线（柴油机500 r/min）见图10，其中左泵和右泵均为实船测试性能曲线。

图9 新泥泵DRC179-900Fig.9 New dredge pump DRC179-900

图10 泥泵200 r/min实船测试性能曲线Fig.10 Test performance curves of dredge pump on the board-200 r/min

通过对比测试性能曲线和模拟性能曲线，进一步验证了该高效泵的水力性能。

1）在流量9 000～11 000 m3/h，左右泥泵扬程测试值均比CFD模拟值高1 m左右；

2）在流量9 000～11 000 m3/h，左泵测试效率曲线与CFD模拟效率曲线几乎重合，右泵的测试值比CFD模拟值高2%～3%；右泵测试效率达到80%～87%，左泵测试效率均达到78%～86%。

4 泥泵挖泥数据分析

为了对比泥泵改造前后挖泥工况的施工性能，摘录了“航浚4006”轮在黄骅港航道区域的改造前后15 d的平均挖泥数据，见表2。

表2 “航浚4006”轮改造前后挖泥数据Table 2 Dredging parameters before and after the renovation of Hangjun 4006

以左泵为例，改造后泥浆密度提高了0.05 t/m3，流量提高了516 m3/h，改造后挖泥生产率得到明显提高。“航浚4006”轮改造前，泥泵的驱动柴油机平均转速只有390～461 r/min，柴油机在低速运行，运行工况恶劣，改造后泥泵效率提高，使得泥泵的驱动柴油机转速提高至493～547 r/min，柴油机的运行工况得到改善，提高了能耗利用率。

5 结语

针对4500 m3耙吸挖泥船对泥泵的参数要求，研制了高效泥泵，应用于实船改造，提高了挖泥船的疏浚施工效率。

1）结合数值模拟和模型试验的方法，自主设计研制了高效泥泵。实船清水测试表明，额定工况的泥泵效率达到了85%以上。

2）4 500 m3耙吸挖泥船“航浚4006轮”泥泵改造后的新泵体积小，泵体重量比原泵减轻46%，降低了泥泵成本，方便维修。

3）跟踪采集泥泵改造后的“航浚4006”轮的挖泥数据，疏浚施工效率得到明显提高，同时降低了能耗，减少了空气污染。

[1]彭光杰，王正伟，杨文.挖泥泵数值仿真与实测比较[J].流体机械，2005，33（12）：19-22. PENG Guang-jie,WANG Zheng-wei,YANG Wen.Simulation and measurement of dredge pump[J].Fluid Machinery,2005,33(12): 19-22.

[2]张晓娜，周凌九，彭光杰.数值模拟的离心挖泥泵叶轮优化设计[J].水泵技术，2005（6）：35-37. ZHANG Xiao-na,ZHOU Ling-jiu,PENG Guang-jie.Centrifugal dredging pump impeller optimization design based on numerical simulation[J].Pump Technology,2005(6):35-37.

[3]庄海飞，王文魁，郑琳珠，等.基于CFD和模型试验的水下泥泵优化设计研究[J].中国农村水利水电，2015（10）：130-132. ZHUANG Hai-fei,WANG Wen-kui,ZHENG Lin-zhu,et al. Optimization design of dredge pump based on CFD and model experiment[J].China Rural Water and Hydropower,2015(10):130-132.

[4]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011. GUAN Xing-fan.Modern pumps theory and design[M].Beijing: China Astronautic Publishing House,2011.

[5]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004. WANG Fu-jun.Computational fluid dynamics analysis[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004.

[6]GB/T 3216—2005，回转动力泵水力性能验收试验1级和2级[S]. GB/T 3216—2005,Rotodynamic pumps-hydraulic performance acceptance tests-grades 1 and 2[S].

Research and application of efficient dredge pump for 4 500 m3trailing suction hopper dredger

ZHUANG Hai-fei,YANG Chen,HU Jing-zhao
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

Based on the CFD and model experiment,we developed the high efficiency centrifugal pump,which was applied in dredge pump renovation for 4 500 m3/h trailing suction hopper dredger successfully.Based on the fluid simulation software,we simulated the three dimensional flow field of high efficiency pump,forecasted the hydraulic performance;Based on the similarity law,we designed and made the model pump according to the proportion of 0.694,carried external characteristic test on the test bed for water to verify the efficient dredge pump hydraulic performance.After the new pump is installed on the dredger,the water tests show that the test efficiency of starboard pump is 80%～87%,and the test efficiency of portside pump is 78%～86%,when the flow is from 9 000 to 11 000 m3/h;The dredging data of the portside pump show that the density of pumping mud is increased from 1.25 t/m3to 1.30 t/m3,and the rate of flow is increased from 7 667 m3/h to 8 183 m3/h.The application of high efficiency centrifugal pump increases the production efficiency and reduces the fuel consumption of dredging work.Finally the goal of energy saving and efficiency increasing is achieved.

trailing suction hopper dredger;dredge pump;CFD;model experiment;application

U662.9

A

2095-7874（2017）01-0063-05

10.7640/zggwjs201701014

2016-08-19

2016-09-22

庄海飞（1986— ），男，河北衡水人，硕士，工程师，流体机械及工程专业，主要从事疏浚泥泵的设计研发。E-mail：zhuanghaifei@cccc-drc.com