超大型耙吸船舱内泥泵汽蚀性能分析

秦 亮 ，刘长海 ，李金峰 ，杨正军

(1.中交天津航道局有限公司，天津300461；2.天津市疏浚工程技术企业重点实验室，天津300457)

超大型耙吸船具有舱容大、挖深大、施工避让灵活等优点，是港口航道、吹填造地、海洋资源开发及海域国家重点工程不可替代的工程机械[1]，其核心设备是舱内泥泵，与绞吸船舱内泥泵相比，往往具有更大的流量、更好的吸入性能。大型耙吸挖泥船舱内泥泵由于装舱性能的需求，所配泥泵必须具有良好的汽蚀性能、较高的效率；而在装舱能力提高的同时，船舶吹岸性能的要求也在提高，这又需要泥泵必须能在低、高转速下均具有较高的效率和一定的排压。在汽蚀模拟方面，国内对水轮机的汽蚀模拟计算研究较多，已经从二维发展到全三维流道解[2]，但有关疏浚泥泵的研究还鲜有报道。鉴于此，本文在超大型耙吸船汽蚀性能方面开展研究，建立汽蚀模型并进行验证，在此基础上进一步以实船为背景对某大型耙吸船泥泵的汽蚀性能进行分析，得到完整的泥泵汽蚀性能数据，以供船舶建造及工程施工参考。

1 超大型耙吸船泥泵模型建立及水力性能分析

耙吸船规格一般用舱容来划分等级[3]，超大型耙吸船舱容大于等于1.7万m3，其舱内泥泵一般具有两档设计转速，设计装舱流量在2.5万m3h左右，吹填流量在2.3万m3h左右，叶轮直径2.4～2.9 m。本文所选的研究对象为国内首艘超大型耙吸船[4]，舱容1.8万m3，首先建立泥泵流道模型，进行外特性计算，并与试验数据进行对比，以验证模型的准确性，为根据泥泵效率变化计算得出的泥泵必需汽蚀余量NPSHr值提供依据。

建立了从进口至蜗壳出口的流道图，并对进口流道、叶轮及蜗壳分别进行网格划分，见图1。各部分网格数量见表1。

图1 泥泵内流场计算模型及网格

表1 挖泥泵全流道数值模拟计算网格数量分布

本文采用了雷诺时均N-S方程[5]，具体形式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

νt=μtρ

(5)

(6)

式中：τij为雷诺应力；μt为湍流黏性系数；k为湍动能；δij是“Kronecker delta”符号(当i=j时，δij=1；当i≠j时，δij=0)；cμ为经验系数，取0.09；ε为耗散率。k和ε采用下面输运方程求解：

(7)

(8)

式中：Pk为湍动能生成项；σk和σε是湍流k和ε的普朗特数；c1和c2是模型系数[6]。

为了分析该泵在挖泥与排岸不同转速、不同流量下的内流场特性及水力外特性，分别对转速为186、234 rmin下共10个流量(Q=1.0万、1.2万、1.4万、1.6万、1.8万、2.0万、2.2万、2.4万、2.6万、2.8万m3h)工况进行了全流道计算，计算的工作条件为清水，没有考虑泥浆的影响。流场计算以吸入口、后间隙的入口作为进口边界，在其上给定速度值(根据流量值确定)；以泵体出口为出口边界，在其上给定参考压力值；其余为无滑动固壁条件，泵的扬程为出口和进口压力的差值。图2为两种转速下计算得到的水力性能曲线，还分别给出了该泥泵的测试数据以及数值模拟计算结果。从图2a)可以看出，流量-扬程曲线在大流量时要稍高于测试结果，而在小流量时要稍低于测试结果，但总体误差在5%以下；从图3b)流量-效率曲线来看，在设计点工况附近数值模拟计算结果与测试结果吻合度较高，小流量的计算效率要低于测试结果；图2c)流量-功率曲线吻合度较好，总体误差在3%以下。

图2 挖泥泵性能曲线

2 泥泵汽蚀性能

2.1 汽蚀模型

汽蚀是流体机械运行中的普遍现象，当液体中某区域压力低于此温度下的汽化压力时发生汽蚀[7]。汽蚀是泥泵运行中常见的危害，汽蚀发生时影响泵的吸入效率、导致吸入浓度降低等，严重时发生振车或断流、威胁结构安全与输送系统稳定运行。

在挖泥泵中，汽蚀发生的局部低压区同时也是速度较高的区域。在这一区域中，空泡相与水流相之间的速度滑移作用相对很小。可以认为空泡相与流体相达到了动力平衡与扩散平衡，即认为流道内各处空泡与水流的时均速度相等，空泡扩散相当于水流的扩散(扩散平衡)，空泡的湍流扩散相当于水流的湍流扩散(湍流扩散平衡)，把空泡相和水流相作为统一的流体加以研究，因此本文中的汽蚀流动计算应用的是混合流体无滑移模型。同时全面考虑汽蚀发生时的主要物理过程，即：相变过程中空泡的产生与消亡、空泡的输运、湍流压力和速度脉动的影响、流体中含有的其他不溶解性气体的影响，应用完整汽蚀模型(full cavitation model)来处理汽蚀过程。

在空泡相和流体相不存在滑移的流动中，空泡的动力学特性方程可以由Rayleigh-Plessst方程得到：

(9)

式中：t为时刻；p为压力；RB为空泡半径；pv为泡壁压力，pv=3 540 Pa；ρf为流体密度；σ为空泡壁的张力系数。

2.2 典型工况汽蚀性能

由于大型泥泵对汽蚀性能要求高，长期以来国内大型耙吸船的泥泵以采购为主，国外公司提供的泥泵汽蚀余量曲线多以效率下降5%为临界汽蚀点，从数据资料表象上显示抗汽蚀性能良好。经过长期的摸索及参照相近行业泵试验规程，笔者认为泵效率下降3%时为临界汽蚀点对泵的性能要求更为严格也更为合理。因此按照此标准进行泥泵必需汽蚀余量计算。

图3给出了转速n=186 rmin、流量Q=2.8万m3h时挖泥泵效率与泥泵必需汽蚀余量的关系，该工况下，泥泵必需汽蚀余量为5.51 m。

图3 n=186 rmin、Q=2.8万m3h时挖泥泵汽蚀性能分析

2.3 泥泵汽蚀性能曲线

该泵在造船期间厂家未提供完整的泥泵汽蚀余量曲线，只给出挖泥装舱设计转速186 rmin下、流量为2.4万m3h时的NPSHr值约为4 m的说明。该值为参考国外相近规格泥泵给出。为了进一步全面分析该挖泥泵的汽蚀性能，为船舶施工使用提供依据，对该泵在转速为186、234 rmin下不同的工况(Q=1.2万、1.8万、2.2万、2.4万、2.8万m3h)进行汽蚀性能全面计算[8]。

表2给出了不同工况下泥泵的必需汽蚀余量。图4为两种转速(n=186 rmin和n=234 rmin)下泥泵必需汽蚀余量(NPSHr)与流量的关系。可以看出该泵在设计装舱转速及流量下的必需汽蚀余量为4.11 m，略高于国外相近规格泥泵汽蚀性能。随着流量的增大，泥泵抗汽蚀性能变差，随着转速的提高必需汽蚀余量也略有提高，符合流量-汽蚀曲线的一般规律。

表2 不同工况下挖泥泵的必需汽蚀余量 m

图4 挖泥泵不同转速下汽蚀性能

该船泥泵汽蚀性能的全面获得对指导施工使用的意义重大，解决了驾驶操作人员在不同转速、不同流量下泥泵吸入真空值控制没有依据的问题。按此结果施工，多年来船舶施工质量控制良好，既保证了产量，泥泵也未出现大的汽蚀问题。

从以上汽蚀分析可知，目前的汽蚀计算方法能很好地捕捉到汽蚀的初生、发展等特性，是一种有效的预测泥泵汽蚀性能的方法。

3 结论

1)结合完整汽蚀模型及效率连续变化分析可获得超大型耙吸船舱内泥泵汽蚀性能。

2)获得了国内首条超大型耙吸船舱内泥泵装舱与抽舱两种工况不同流量下的完整汽蚀性能数据。

3)船舶多年来按照该研究获得的汽蚀标准进行施工，效果良好，保证了施工效率及装备的完好率。

4)通过流体动力学方法可以得到完整的泥泵汽蚀性能，解决了国产超大型耙吸船泥泵缺少汽蚀性能数据的问题。