泥浆泵实船特性测定

饶洪华

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

耙吸式挖泥船是一种装备有耙头挖掘机具和水力吸泥装置的大型自航、装仓式挖泥船，具有良好的航行性能，不需要定位装置，可以实现自航、自载和自卸。耙吸式挖泥船适用于无掩护、狭长的沿海进港航道的开挖和维护，开挖淤泥时效率最高。作为挖泥船作业的关键设备，泥浆泵的性能参数非常重要。为了能够在实船上精确地测定泥浆泵的性能参数，本文以18 000 m耙吸式挖泥船项目为例，结合船上泥浆泵和挖泥管的实际布置情况，测量各个工况下泥浆泵的特性。

1 项目概况

本例中18 000 m耙吸式挖泥船采用的是右舷单耙设计，最大挖泥深度为86 m，配备有2台7 200 kW的变频电机，最大航速可达15.5 kn。该挖泥船配备有2台7 500 kW变频电机，分别驱动2台外输泥浆泵。泥浆泵可以根据扬程的需要串联运行，排出压力最高可达到32 MPa。该挖泥船配备有艏喷射炮和艏吹装置，泥浆既可通过艏喷射炮喷出（射程可达80～150 m），也可通过艏吹装置和漂浮软管进行长距离外输。

作为耙吸式挖泥船最核心的系统之一，耙吸系统由3台泥浆泵、22台泥闸阀，以及若干单壁管和双壁管组成。其中：1台泥浆泵安装在耙管上，用于将泥浆从海底吸到泥舱内；另外2台泵为泥浆外输泵，布置在泵舱，可根据工况要求进行单独或串联工作。根据管路布置区域和功能的不同，整个系统可分为耙管系统、注入管线、自卸管线、泵舱管线和排出管线等5部分。本文主要对右舷泥浆排出泵的性能参数进行测量。

2 测量原理

本项目的泥浆泵为离心式双层壁疏浚泵，属于离心泵的一种。离心泵的特性曲线是指在特定转速下泵的扬程、轴功率和效率与泵的流量之间的关系曲线，反映流体在泵内的流动规律。由于泵内流动情况复杂，不能用理论分析的方法进行推导，仅能依靠试验测定。在恒定的转速下，通过改变排出阀开度的大小，测量不同的工况时泵的各项特性数据，根据测量结果绘制泵的实测特性曲线。

2.1 泥浆泵的扬程

离心泵的扬程又称为泵的压头，是指单位重量流体经泵所获得的能量。泵的扬程大小取决于泵的结构，如叶轮直径的大小、叶片的弯曲和转速情况等。一般情况下，泵的铭牌上标注的扬程是额定扬程，即泵在设计工况下的扬程。泵在实际工作时的扬程不一定等于额定扬程。泥浆泵工作扬程的计算公式为

式中：为泥浆泵的扬程；为流体的密度；为重力加速度；为泵进口截面的流体压力；为泵出口截面的流体压力；为泵进口截面的流速；为泵出口截面的流速；为泵进口截面中心的高度；为泵出口截面中心的高度。

由于和非常接近，式（1）等号右侧第3项可忽略不计，泥浆泵工作扬程的计算公式又可表示为

2.2 泥浆泵的流量

流量是指泥浆泵在单位时间内排送的液体体积，流量是泥浆泵的重要参数之一。考虑到挖泥管路的口径（1 000 mm）较大，试验采用孔板流量计对泥浆泵的流量进行测量。孔板流量计具有结构简单、牢固、性能稳定可靠且价格低廉的特点。孔板流量计测量方法基于能量守衡定律和流动连续性定律。孔板流量计使流速增加，静压力减小，于是在节流件前后便产生了压力降。介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，所以孔板流量计可通过测量压差来衡量流体流量的大小。泥浆泵流量的计算公式为

式中：为泥浆泵的流量；为流出系数；为膨胀系数；为节流件的开孔面积；Δ为孔板流量计输出的压差；为孔板开孔直径与管道内径的比值。

2.3 泥浆泵的输出功率

泥浆泵的输出功率又称有效功率或液体功率，指单位时间内泵输送出去的液体从泵中获得的有效能量。泥浆泵输出功率的计算公式为

式中：为泥浆泵的输出功率。

2.4 泥浆泵的效率

泥浆泵的效率为泵的输出功率与泵轴功率之比。泵轴功率为原动机供给泵轴的功率，即泵的输入功率，计算公式为

式中：为泵轴功率；为泵轴扭矩；为泵轴转速。

泥浆泵效率的计算公式为

式中：为泥浆泵的效率。

2.5 泥浆泵的必需汽蚀余量

泥浆泵的必需汽蚀余量（Net Positive Suction Head Required，NPSHr）是指泵为了避免汽蚀所必需的汽蚀余量。NPSHr取决于泵进口部分的几何形状以及泵的转速和流量，反映了液体进泵后压力进一步降低的程度，而与泵的吸入条件以及所吸液体的饱和蒸汽压无关。NPSHr越小，表示泵的汽蚀性能越好。

3 测量参数

根据泥浆泵特性曲线的测量需求，所需测量的数据为：1）为孔板流量计输出的压差Δ；2）泵进口截面的流体压力；3）泵出口截面的流体压力；4）泵轴扭矩；5）泵轴转速；6）泥浆泵的必需汽蚀余量NPSHr。

根据测得的数据，需计算的参数为：1）泥浆泵的流量；2）泵轴功率；3）泥浆泵的效率；4）泥浆泵的扬程。

根据测量和计算的结果，最终需要整理出以下曲线：1）-曲线；2）-曲线；3）-NPSHr曲线。

4 测量方法

4.1 泥浆泵的扬程

通过安装在测量法兰上的真空表测量泵进口截面的流体压力，通过安装在测量法兰上的压力表测量泵出口截面的流体压力，根据式（1）计算泥浆泵的扬程。真空表和压力表在船上具体的安装位置见图1。

图1 真空表和压力表安装位置示意

4.2 泥浆泵的流量

试验采用孔板流量计对泥浆泵的流量进行测量，这种测量方法要求节流孔板上游和下游的管路是直的，以得到准确的测量结果。根据相关要求，孔板上游的直线长度为管道内径的40倍，下游的直线长度为管道内径的10倍，孔板开孔直径与管道内径的比值=0.75。本次试验节流孔板的安装位置见图 2。泥浆泵通过安装在泥浆外输管末端的临时阀来进行流量调节。临时阀的安装位置见图3。

图2 节流孔板安装位置示意

图3 临时阀安装位置示意

4.3 泵轴转速

本次试验采用闪频测速计对泵轴转速进行精确测量。

4.4 泵轴扭矩

本次试验采用安装在泵轴上的扭矩测量仪对泵轴转速进行精确测量。扭矩测量仪的安装位置见图4。

图4 扭矩测量仪安装位置示意

4.5 泥浆泵的必需汽蚀余量

本次试验采用原型泵汽蚀试验的方法来确定NPSHr。

5 结论

本文基于18 000 m耙吸式挖泥船项目，在离心泵特性理论的基础上，测量各个工况下泥浆泵的特性。所测得的曲线与理论曲线相匹配，可为泥浆泵的设计提供理论依据。