长狮7号绞吸式挖泥船泥泵的改造升级

刘永明，孔华杰，鲁宁斌，焦修勤，黄睿，徐芸

（1.中国船舶重工集团公司第十二研究所，陕西 咸阳 713102；2.长江南京航道工程局，江苏 南京 210011）

0 引言

挖泥船在港口建设、航道建设、填海造地工程中发挥着重要作用，如何提高绞吸式挖泥船的产量和排距，泥泵起着关键作用。

长狮7号绞吸式挖泥船是2007年购买的二手船，该船在设计、建造、设备配套等方面均存在诸多先天性不足，导致使用过程中挖泥船的时间利用率及施工效率低下，前期已进行了大量的技术改造工作，船舶性能有所提升，但泥泵效率仍然不高。

为了进一步提升该船施工效率，降低能耗，2016年设计开发了CS7-S（水下泵）和CS7-C（舱内泵）型泥泵，对该船泥泵进行升级改造。

1 原泥泵系统的主要问题

文中分析的长狮7号绞吸式挖泥船配置了2台泥泵，包括1台水下泵和1台舱内泵。原泥泵系统存在的问题如下：

1）2台泥泵叶片均为圆弧型圆柱式叶片[1]，泥泵效率较低，最高效率低于75%。

2）水下与舱内泥泵匹配性欠佳，串联工作的两泵在设计工况点3.5 m3/s时，水下泵工作在高效区，而舱内泵并没有工作在高效区，泥泵系统整体效率低，原泥泵系统清水流量效率曲线如图1所示。

图1 原泥泵系统清水流量效率曲线Fig.1 The flow-efficiency curves for water of original dredge pump system

2 新泥泵数值分析

新泥泵叶片设计成效率更高的对数螺旋线形扭曲式叶片，同时叶片进口向泵吸口延伸，如图2所示，这样有利于提高泥泵的汽蚀性能。

图2 新旧泥泵叶轮三维模型Fig.2 Impellers 3-D models for new and original dredge pumps

1）数值模拟

数值模拟采用三维定常不可压缩雷诺时均NS方程和标准的k-ε湍流模型。计算方法上采用时间推进法来计算流场中的各流动参数，离散格式上采用中心差分格式，为提高收敛速度，采用当地时间步长和多重网格技术。在差分格式中，压力项采用二阶中心差分格式，速度项、湍动能项和湍动能黏系数项均采用二阶迎风差分格式。近壁区使用速度分布对数律的固壁函数；采用SIMPLEC算法，实现压力和速度的耦合求解；在迭代计算时，应用亚松弛迭代，在求解压力项时，松弛系数项为0.3，速度项为0.7，湍动能项为0.8，湍动能耗散率项为0.8。

2）边界条件

计算区域的进口边界上，采用速度进口，速度为均匀连续的边界条件；在计算域的出口边界上，采用自然出流；固壁边界为绝热条件，叶轮为转动边界；临近固壁的区域，采用壁面函数，叶片表面、前后盖板等固壁为无滑移边界条件。

3）结果分析

利用CFD软件Fluent模拟泥泵的流场，得到了2台新泥泵CS7-S（水下泵）和CS7-C（舱内泵）的清水特性曲线。其中，CS7-S清水效率曲线如图3所示，CS7-C清水效率曲线如图4所示。

图3 CS7-S（水下泵）清水性能曲线Fig.3 Water performance curves of CS7-S(underwater pump)

图4 CS7-C（舱内泵）清水性能曲线Fig.4 Water performance curves of CS7-C(inboard pump)

2台新泥泵不仅单泵效率高，而且匹配合理[2]，大大提高了泥泵系统的效率，使串联工作的两泵能同时工作在高效区。

4）泥泵工作点计算

泥泵系统的流量排压曲线与不同排距的管阻曲线的交点即为该工况下泥泵系统的工作点[3]。泥泵排压受混合物浓度、疏浚土颗粒大小影响，同时国外研究发现泥泵叶轮直径的大小也对泥泵排压产生重要影响，大型泥泵比小型泥泵的压头损失要小得多。泥泵压头计算公式如下：

式中：Hm为混合物的排压；ρm为混合物密度；HR为排压比例系数；Hw为清水排压。排压比例系数HR修正了混合物的浓度、疏浚土粒径和泥泵叶轮直径对泥泵排压造成的影响[4]。

对于排距较长的绞吸式挖泥船，局部阻力损失可以忽略不计，管路阻力损失可以简化为长直管内定长流动的沿程阻力损失，清水的管道压力降可以利用魏斯巴赫公式计算：

式中：i为清水管道压力降；f为摩擦因数；L为管道长度；D为管道内径；ρw为清水密度；V为清水流速。Newitt与O'Brien、Folsom、Durand等人得到了泥浆管道压力降与清水管道压力降的关系式[5-10]，即：

式中：im为泥浆管道压力降；i为清水管道压力降；CV为砂的体积浓度；ρs为砂的密度；ρw为清水的密度。

根据泥泵排压曲线和管阻曲线就可以得到不同工况下的泥泵系统工况点。

本设计工况的疏浚介质为中细砂d50=0.236 mm，排高6 m，排泥管直径φ900，泥浆浓度为35%，泥泵系统的流量排压管阻曲线如图5所示，挖深25 m时各工作点的中细砂产量预测见表1。

排距在2～8 km范围内新泥泵系统的性能良好，提高了泥泵系统在中长排距工况的疏浚能力。

3 泥泵系统改造后清水试验

完成新泥泵安装后，在南通某船厂进行了清水试验，如图6所示，现场测试的新泥泵清水性能曲线如图7、图8所示。

图5 新旧泥泵系统流量排压管组曲线Fig.5 Flow-discharge pressure&pipe resistance curves in new and original dredge pump systems

表1 新旧泥泵系统不同排距下中细砂产量预测Table 1 Production forecast of medium and fine sand under different distance of new and original dredge pump

图6 新泥泵清水试验现场照片Fig.6 New dredge pumps water test photo

通过对比现场测试的性能曲线与模拟的性能曲线，完成了新泥泵水力性能的验证。当流量为3.5 m3/s时舱内泵出口压力实测值为1 MPa（10 bar）（改造前约为0.86 MPa（8.6 bar））。两泵性能参数实测值与预测值1.03 MPa（10.3 bar）基本吻合，符合改造预期。

图7 新泥泵CS7-S清水性能曲线Fig.7 Water test performance curves of new dredge pump CS7-S

图8 新泥泵CS7-C清水性能曲线Fig.8 Water test performance curves of new dredge pump CS7-C

4 结语

1）改造后2台新泥泵效率高，泥泵最高效率达到86%以上，两泵匹配性合理，高效区重合，在提高了泥泵单泵效率的同时保证了2台泵同时高效运行。为今后的旧船泥泵改造提供了一种新的思路。

2）长狮7号绞吸式挖泥船改造后施工效率得到了大幅提升，增强了对中长排距施工的适应性和竞争能力，实现了船舶的节能降耗，达到了泥泵改造升级的目的。