大型船用清淤装置关键部件设计与性能分析

马盼盼， 戴之祥， 王 飞， 刘和明

(1.安徽职业技术学院，安徽 合肥 230011；2.明光市留香泵业有限公司，安徽 明光 239400)

离心泵被广泛应用于江河湖海的清淤疏浚作业，但由于工作环境的恶劣，造成核心部件极易因磨损而降低使用寿命，因此需要对复杂工作环境下泵关键部件进行深入研究设计。文献[1]通过实验与数值模拟的方式分析了空化对超低比转数离心泵压力脉动的影响；文献[2]分析了叶片以及叶轮对离心泵振动噪声方面的影响；研究成果主要集中于离心泵有关性能分析方面，而对适用于船用清淤设备的设计以及离心泵流固两相流分析等方面尚未进行深入研究。

本文以大型船用离心泵为研究对象，对关键部件进行理论设计，基于此展开内部流场分析及性能试验。

1 清淤装置关键部件设计

叶轮与蜗壳是离心泵这种船用清淤装置的关键部件，其结构会直接影响离心泵的工作效率和使用寿命。

1.1 叶轮设计

本次所设计的离心泵叶轮如图1所示。

图1 叶轮结构示意图

叶轮主要结构参数有叶轮出口宽度和出口直径、涡室入口宽度和基圆直径等，计算如下：

涡室入口宽度b3=b2+0.05D2

基圆直径D3=(1.03～1.08)D2

其中，n为额定转速；Q为流量；H为扬程。

最终求得叶轮尺寸如表1所列。

表1 离心泵主要尺寸参数

根据所求尺寸，在绘图软件中建立叶轮的三维模型，如图2所示。

图2 叶轮三维数模

1.2 蜗壳设计

在完成叶轮设计后还需设定隔舌安放角和涡室各断面面积，以完成整个蜗壳的设计。

1.2.1 隔舌安放角

隔舌位于涡室螺旋始端，具体隔舌安放角φ0可按文献[6]获得。

1.2.2 涡室断面参数计算

为便于设计，在涡室内部取8个断面[4]，采用速度系数法求解第Ⅷ断面面积，其余各断面面积在第Ⅷ断面的面积的基础上进行设定。

其中,v3为涡室断面的平均速度；k3为速度系数。

其余各断面的面积按涡室各断面速度相等确定。

根据相关参数几何关系，便可得出各断面的尺寸，进而建立蜗壳的三维模型，如图4所示。

图4 离心泵蜗壳

2 离心泵流固耦合分析

2.1 流体模型建立

为进一步验证设计的合理性，针对离心泵进行整体的流体仿真[5]。由于所设计的离心泵整机结构比较复杂，所以在建立模型上对其进行适当的简化，并将简化后模型导入到软件中。设定砂石密度为1500kg/ ，热导系数0.78W/m·K，比热容为1050J/kg·K。流体域网格划分结果如图5所示。

图5 流体域网格

2.2 边界条件设置

外层壁面的边界条件设置为无滑移；关于压力与速度的耦合，采用求解器中的SIMPLE算法；对流区域选择一阶迎风作为离散方式；各个控制方程RMS收敛依据是1e-5。选用MSAM模型为控制方程；计算精度设置为Double，时间步长为2×10-4s。

2.3 流固耦合分析结果

根据砂石的参数，设置仿真时长为1s，获取该时间段内砂石在离心泵壳体内的涡流、体积变化情况，流体仿真结果如下图6所示。

图6 流体仿真结果

由以上仿真，可得出离心泵在工作过程中其内部流场变化有以下规律：随着时间的增加，叶轮不断搅动泵腔体内的液体，靠近壳体底部位置压力较其他部位更大；叶轮周围的涡流也随仿真时间的增加而明显增大。

仿真结果表明，离心泵壳体底部和叶轮周围是流体压力和速度变化较大的位置，因此在后续性能测试中需注意其变化，以保证测试工作能稳定进行，从而获得准确的测试结果。

3 吸砂设备性能试验

3.1 测试系统搭建

为验证清淤关键设备的性能指标，结合GB/T3216-2016中的试验方法，搭建离心泵性能测试系统。

整个系统由涡轮流量传感器、带电绕组温升测试仪、单/三相电参数测量仪、流量转速测试仪、压力扬程测试仪及压力变送器、压力表等组成。

3.2 性能试验

所有测量均在稳定条件下运行，且所有性能测试试验至少取5个试验点。试验时允许转速在规定转速的50%～120%范围内变动。

按规定要求进行多次性能测试试验，对试验数据进行平均值求解，结果见表2。

表2 离心泵性能测试结果

测试结果说明本次所设计的离心泵各指标均符合国标要求，整体性能比较优异。

4 结 论

根据船用清淤设备特点及设计要求，设计了一套大型船用离心泵。基于设计结果进行仿真分析与性能测试，得出结论如下：

(1)在工作状态时离心泵壳体底部位置压力较大，且随着工作时间的增加，叶轮周围速度和涡流逐渐增大；

(2)基于仿真结果对离心泵进行性能测试，离心泵的流量、扬程、温度等各项指标均符合国家标准规定，验证了离心泵设计的合理性。