（机械电子工程专业论文）泥泵输送泥沙时的水力特性研究.pdf

河海大学硕一i j 学位论文 泥象输送泥沙时的水力特眺研究 摘要 在疏浚工程中，水下被挖掘的土质与水混合后，通常依靠离心泥泵抽吸并输 送至排泥场。泥泵是水力输送式挖泥船的关键设备。当液流中包含泥沙而成为两 相介质时，泥泵的特性曲线就与其抽送清水时不同，扬程和效率将明显下降。下 降的幅度及特性曲线的形状将主要取决于泥沙粒径、体积浓度、密度等。由于问 题的复杂性，泥泵输沙水力特性还需要深入研究。 本文主要运用实验研究手段探索泥沙对泥泵性能的影响。本项研究有助于工 程技术人员准确把握设备性能，使挖泥船高效稳定地生产，同时能够为泥泵的优 化设计提供有益参考。 关键词：离心泥泵，性能、泥沙粒径，泥沙浓度 t h e s i sf o rm a s t e rd e g r e eo f h o h a iu n i v e r s i t y p e r f o r m a n c eo f as l u r r yp u m p w h e nt r a n s p o r t i n gs a n d a b s t r a c t i nd r e d g i n ge n g i n e e r i n g ，t h eu n d e r w a t e rs o i l ，c u ta n dm i x e dw i t hw a t e r , i s u s u a l l ys u c k e da n dt r a n s p o r t e dt od i s p o s a la r e ab yac e n t r i f u g a ls l u r r yp u m p s t h e s l u r r yp u m pi so neo ft h ek e yf a c i l i t i e so fad r e d g e r w h e nw a t e rf l o wc o n t a l n ss a n d s ， f o r m i n gat w o p h a s ef l o w , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es l u r r yp u m pd i f f e rf r o mt h o s e w h e nt r a n s p o r t i n gc l e a rw a t e r t h ep u m p1 i f ta n de 伍c i e n c yw i l lo b v i o u s l y d r o p d u e t o 恤ec o m p l e x i t y , i ti sn e c e s s a r yt os t u d y 如r t h e rt h ep e r f o r m a n c eo fas l u r r yp u m p t r a n s p o r t i n gs a n d i nm i sp a d e r , a ne x p e r i m e n t a lm e t h o di sa p p l i e dt os t u d yt h ee f f e e t so fs a n do n t h ep e r f o r m a n c eo fas l u r r yp u m p t h es t u d yi sh e l p f u lt oe n g i n e e r st ou n d e r s t a n d a c c u r a t e l yt h ep r o p e r t i e so ft h ef a c i l i t y , t om a k et h ed r e d g e rw o r ke f f e c t i v e l y t h e r e s u l t sc a r lb e u s e da sar e f e f e n c ei nt h eo p t i m a ld e s i g no f as l u r r yp u m p k e y w o r d s ：c e n t r i 如g a l s l u r r yp u i r l p ， p e r f o r m a n c e ， d i a m e t e ro fs a n d ，s a n d c o n c e n t r a t i o n i i - 海人学硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 1 。1 固液两相流泵 固液两相流体广泛存在于自然界和许多工业部门之中，诸如在环保、水利、 化】：、冶金、运输、海洋工程等领域均可遇到。在自然界中，含沙水流是一科r 典 型的固液两相流体。固体物料的水力输送是一种典型的固液两相流的工程应用， 固体物料的管道水力输送技术，已有1 2 0 多年的发展历史。美国、巴西、加拿大 等国相继建设了浆体管道输送线。加拿大正在建设一条输煤管线长1 0 7 6 k m 。在 工业部门中，管道水力输送技术也得到广泛的应用，如冶金部门用于输送精矿和 尾矿，煤炭部门用于输送煤浆，水利部门用于疏浚河道和水库清淤，环保部门用 于输送工业垃圾，轻工部门用于输送纸浆等。因而，在实际工程上不断提出泵送 固液两相流体的问题。 固液泵是管道水力输送的关键部件，固液泵的发展过程是与工业的发展密切 相关的。随着工业的迅速发展，泵输送固体的问题被提到了一定的高度，同时， 也给应用在这些范围的泵开辟了广阔的新领域，泵中存在的特殊问题激起了广大 科研人员的浓厚兴趣。在计算机和其它先进设备应用日益广泛的今天，对上述问 题的研究越来越多，也越来越深入，探索到了一定的规律，积累了许多经验，设 计出一些性能比较好的产品，但设计依据仍然不成熟，没有像清水泵那样有比较 完整的设计方法。 两相流问题提出之前，用于抽送固液混合物的泵，在研究和设计方面，只 以清水流场为基础，对泵存在的磨损和效率问题没有完善的解决办法。例如，通 过对泵过流部件中易磨损部件磨损特征的分析研究，修改泵的几何参数，使过流 部件的流道形状，尽可能满足实际流动，以达到减少磨损的目的。在设计过程中， 设计人员参考清水泵的设计方法，考虑一些固体物的存在对泵不同方面的影响， 对这些过流部件进行设计。然而，存在的问题是，固体物对整个流场的影响不清 楚。由于没有一套完善的数学模型和成熟的理论依据，很多问题的解决只能依靠 尝试。如为了使固体介质容易通过流道，人为的将泵流道尺寸加大，减少叶片数； 为了提高泵的抗磨性能，在修改几何参数的同时，还从抗磨材料入手，对过流部 件采用橡胶、尼龙、高硬度耐磨合金等。 然而，由于这些措施不是从根本上解决问题，在设计中，加入了许多经验系 数和主观因素，并非建立在固液两相流真实流动的基础上，因此设计出来的产品 不能令人满意。 为了从根本上解决问题，有的学者将杂质泵的水力设计问题提升到理论上， 提出了两相流设计理论。两相流设计理论的提出，使杂质泵的研究在理论上：发生 l l 海人学硕学位论文第一章绪论 了质的变化。在目前，两相流设计的研究还很不成熟。由于两相流动的复杂性， 对两相流的研究离不开实验的验证。 对两相流泵的研究，包括宏观的外特性研究和微观的内部流动规律研究。外 特性研究探讨固液混合物对泵性能的影响，包括流量、扬程、磨蚀性能、气蚀性 能和使用寿命等；内部流动规律研究探讨固液两相在泵内的流动规律，包括固体 颗粒相对运动轨迹和固液两相流速、压力以及浓度的分布规律等特性。研究途径 可以通过实验结果总结规律、验证理论，也可以从理论分析的角度对流动规律做 一些假设，然后通过实验验证。 1 。2 国内外研究概况 1 2 1 内部流动规律研究 国外对内部流动规律的研究大致可以分成三个阶段”3 。 第一阶段，理论分析建立数学模型。大致从三十年代到六十年代初。 第二阶段，试验研究确定数学模型。从六十年代到八十年代初。扳谷树对砂 泵进行了研究，b k 苏波隆研究了泥浆泵的磨损及防护，宫江申一研究了砂泵的 扬程特性。 第三阶段，利用计算机建立数学模型。从八十年代初到现在。n 罗科利用有 限元法计算了离心泵时轮内的固体颗粒浓度分布，g 格拉鲍研究了离心泵内的两 相流动，a h 扎里亚研究了离心泵抽送固液混合物时固相的运动学，m c 罗科计 算了离心式泥浆泵压水室内的水力损失。 国内对杂质泵内部流动的研究目前主要集中在颗粒运动规律的数值模拟和 实验研究上。 在数值模拟方面：彭维明等。3 用e u l e r i a n 一- l a g r a m g i a n 模型，结合雷诺输运 定律，计算了水涡轮机械中轴对称的固液两相流，得到了固液两相流的液体和颗 粒从叶轮进口到出口速度分布，并对颡粒速度变化的原因进行了分析；尔后，彭 维明“1 又推导出了在高r e 下，颗粒在水泵各过流部件上的运动轨迹方程，并计算 了不同直径的粒子在水泵叶轮中的运动轨迹，得出颗粒有向叶片工作面靠拢的趋 势的结论；赵敬亭等“1 以基本两相流理论为基础，对叶轮中的单颗粒的钢球进行 数值模拟，得到了钢球的运动轨迹，从而进一步验证了前人的实验结果：许洪元 等”3 用e u l e r l a n l a g r a h g i a n 模型，对稀固粒在离心泵叶轮内的运动进行了数值 分析：吴玉林”3 利用两相流的多流体模型( g u l e r i a n e u l e r i a n 模型) k l 一如两 相揣流模型，并借用s i m p l e c 算法，计算了渣浆泵叶轮内部的二维固液两相紊流， 得到稀固液两相流的主要流动参数；吴玉林0 3 随后又进行了水机内部三维固液两 洲海人学硕士学位论文第一章绪论 相紊流计算：刘正英”1 运用贴体坐标系统和k e a p 模型，对圆柱叶片流道中的 液固两相速度场进行t s l m p l e r 法求解，并对结果作了初步的评价；魏进家”0 1 利 用密相固液两相湍流k e t 模型，对离心泵叶轮内部两相流场进行模拟，并与实验 比较，分析了各结果产生的原因。 在实验研究方面，借用激光多普勒测速系统、高速摄影和图像处理技术，取 得了一系列成果：赵敬亭等“用高速摄像机拍摄泵轮d = 6 3 n u n 的钢球运动轨迹， 与计算结果相比较大致相符合；许洪元等“”利用高速摄像机，分别采取豆类、玻 璃球、钢球、石子，在叶轮转速、叶片形状改变时实验，得到了各自的运动规律； 戴江“”利用高速摄影和图像处理技术，对粒径d = l 一2 m m 沙粒进行了_ - - 维浓度分布 实验，得到了叶轮内颗粒浓度分布。 从众多的研究成果来看，尽管都有一些理论或实验基础，但结论不尽相同， 有的甚至相反，差异的产生与他们的实验条件和理论简化有很大的关系。一方面， 多相流的数值模拟正处于发展阶段，目前存在多种模型，采用不同的模型得到的 结果肯定会有一些差异；另一方面，固液两相的耦合程度与固相的浓度、固相粒 径、固相的密度等因素有很大的关联，计算和实验结果也会因这些因素而不同。 1 2 。2 外特性研究 泵的外部特性研究主要是在实验的基础上进行一定的理论分析。多年来，国 内外学者对泵送固液两相流时的外部特性开展了大量的研究工作。r o c o 等“”对多 台离心式渣浆泵实验研究，实验结果表明颗粒浓度与大小对泵性能曲线的影响是 泵结构的函数，他把流动损失分为局部损失、摩阻损失、二次流损失和泄漏损失， 用一维近似方法，结合实验为泵的设计和选型提供了一定的依据。b r a d a 等“”输 送水沙混合物的杂质泵作了多年的实验研究，指出先前许多学者发表从泵送清水 到泵送混合液的转化关系需要引入多个经验参数。g a h l o te ta l “”研究了橡胶泵 和金属泵输送固液两相流时固体颗粒对泵的性能的影响，将所得的性能同他人的 关联式进行对比后，提出了一个改进的经验关系式来预测两相流泵的性能。 在国内，许多高校也开展了一系列离心泵抽送固液两相流时的外部特性的研 究。清华大学分别于1 9 8 6 年和1 9 8 9 年提出了试验报告“7 ”1 ，并进行了固液混合物 对泵性能影响的研究。江苏理工大学陈次昌等“，研究了离心泵叶轮内固液两相 流动和泵的性能。清华大学水机实验室使用天然黄河沙，对l o s h 1 3 型水泵进行 了性能实验汹3 ，结果表明：随着含沙浓度的增加，水泵各项特性参数明显变化。 甘肃工业大学李仁年等。”也利用天然黄河泥沙，作水泵浑水运行特性实验，得知： 泵扬程随含沙量的增大而降低，最高效率点随含沙量的增大逐渐向小流量移动， 含沙量对效率影响也很大。西北农学院实验室对6 s h 一9 a 型水泵进行了不同含沙量 河海大学硕士学位论文第一章绪论 的性能实验。“，并对一些泵站的实测资料分析。 1 2 3 磨损机理与规律研究 在磨损研究过程中，很早就提到水力机械内的磨损问题，但由于在旋转的离 心泵壳中观察和研究的复杂性，而且由于作为紧密相联介质一水的存在，给研究 工作造成了困难，因而长久以来，对磨损的研究成果往往侧重于干蚀，在水中的 磨损方面成果较少。w a s u f f e r 。”在实验基础上提出，水力机械内中的主要磨损 形式是擦划型冲刷磨损( 即冲角为0 度左右的切削磨损) 。p b e r g e r o n ”在分析材 料表面磨损凹坑后认为，水中材料的磨损分为摩擦型( 或切削型) 和冲击型( 或变 形型) 两种。m c r o c o o ”。“在封闭式的泵系统内进行磨损实验，采用表面涂层法 测定泵室的磨损，他将磨损的成因归结为固粒的直接冲击、固粒的紊动冲击和通 过边壁的滑动摩擦。这三种磨损形态分别同固相的动应力、扩散应力和承载应力 相关，各种应力导致的磨损由“比磨损率”表示，总的比磨损率为三者之和。在 理论分析中，m 。c ，r o c 0 0 7 1 采用了无粘流动模型求混合液流场，用颗粒在流场中的 动力平衡计算固相速度，用扩散对流方程求浓度分布，对磨损进行解析。解析的 结论与实测磨损进行比较，证明该方法比较准确。j s a t o 等o ”利用淹没射流和 水洞装置研究沙粒的磨损，在扫描电镜下观察被蚀表面后认为沙粒磨损可分为三 种形态：切削、犁沟和挖掘，形态的划分由穿透值和碰撞表面的剪切能确定。吴 培豪等。”长期观测和统计泵材料的磨损情况，认为磨损按形式可分为普遍磨损和 局部磨损，按机理分为切削磨损、变形磨损及其复合磨损。将局部磨损视为材料 破坏的根本原因，而且局部磨损又可由水力、材质和机械三方面因素造成。 磨损规律的认识也进一步深入，p b e r g e r o n “4 1 在对铝、铜进行磨损试验后 得出：在低浓度时磨损与浓度成一次方关系，浓度增大后磨损增长减缓；磨损与 单位面积上的磨粒数成正比，磨损与浓度和流态有关：磨损并不直接与混合液的 比重成正比，而是与液流和颗粒的比重之差成正比。另外磨损还与主流加速度、 摩擦系数、颗粒层厚度及流速成正比。t b o v e t o “仔细考察了磨损率的规律，认 为磨损是作用在液流中的固粒的速度和力产生的结果，阐明磨损正比于颗粒冲击 试件表面的磨损力。a h m e de l k h o l y 。“采用一套能方便地改变主要磨损参数的试 验装置，研究了渣浆特性和泵材质对磨损的影响，得出可适用于铸铁材质的磨损 公式。田爱民。“、罗先武。o 等用失重法、磨损曩测法、表面涂层法等研究了叶片 参数、颗粒浓度、时轮转速和叶片数对磨损的影响，总结了磨损规律。何希杰等 研究了渣浆泵用材料失重量的影响因素及排序，提出了预测泵用材料失重量的一 种方法m 3 。 国内外学者对固液泵磨损问题的研究已取得了一定成果，但还远远没有完全 4 日海人学硕十学位论文第一苹绪沦 解决这个问题。适合固液泵实际运行情况的磨损机理和磨损模型还需进一步验证 补充鲫完善，实验研究手段应从宏观转向微观。研究固液泵过流部件材料的磨损 规律，积累经验数据，建立一套全面、完备的资料数据库，为固液泵的抗磨设计 研究提供依据。 1 2 4 设计理论和方法研究 前苏联科学家鲍格尼茨卡1 9 5 9 年发表长篇报告。在这篇报告中，对渣浆泵性 能参数进行了内容广泛的试验和研究，其中包括渣浆泵能量平衡，泵体内速度和 压力分布，泵体和叶轮结构要素对泵性能的影响等。这是前苏联渣浆泵设计方面 早期代表性著作。同时提出了渣浆泵水力设计的统计资料，这些资料被以后的设 计和书刊所采用，也被我国的学者和设计人员引用。”。g w i s o n 。“在论述水力设 计和分析泵体结构形式的基础上，确认渣浆泵不能采用常规离心泵的泵体，而采 用同心和半同心泵体。在设计叶轮时，优先采用闭式叶轮，叶片数3 片或者4 片， 叶轮叶片入角2 0 度左右，出口安放角保持在2 0 度左右为宜。由于与叶片有关的稠 密度与常规离心泵不同，因此泵的滑移系数表达式不再适用，不能用常规设计方 法设计渣浆泵。j r e m i s z ”提出一种选矿厂渣浆泵设计方法和性能曲线换算法。 这种方法是输送清水和重介质时的相应参数以比值形式给出。 在国内，蔡保元，何希杰，许洪元等人都提出了自己的设计方法，目前主要 的水力设计方法有两种。一是经验一统计速度系数设计法。这种方法是以国内外 大量实践及资料为依据，利用清水泵的有关公式为基础，以系数形式作若干修正 形成的设计方法。这些系数反映了工作介质的影响，这种方法在理论上不够完善 ”“3 。二是应用固液两相流理论进行设计。7 0 年代中期，蔡保元在多年从事两相 流泵试验和研究的基础上，作了五点假设，把固体作为水流运动的动边界条件， 推导出泵内水流运动的速度畸变方程和输送方程，提出了两相流畸变速度设计法 ”“1 ，并以此为基础进行泵的设计。蔡氏所建立的定量关系式在国内有过很多讨 论和争议，但对推动固液泵的两相流理论和设计方法的研究起到了积极作用。8 0 年代末，以清华大学许洪元为代表提出了两相流速度比设计法”“，主要考虑了两 相速度之间的变化规律，可有效地转换能量。该方法是对固液泵水力设计新的突 破，具有广阔的推广应用前景。 国内提出的设计方法还有很多，张玉新等“”提出了一种适用于低比转速离心 式渣浆泵的无过载设计方法，刘彦春”采用加大流量设计法设计了低比转速渣浆 泵。同时，顾广运“、崔巍等“”也应用固液两相流理论进行了杂质泵设计。这 些方法有的侧重理论推导，有的理论与经验结合得比较好，但都有其局限性，探 索出一套像清水泵设计那样的普遍的设计方法，仍然是两相流泵工作者的课题。 河海大学硕，l 学位论义第一章绪论 1 - 2 5 结构和材料研究 结构的研究也是两相流泵研究的主要方面，应用合理的结构，可以在原有的 基础上设计出比较实用的泵。例如在结构上使其易损件容易更换，在离心叶轮上 采用背叶片减小对密封的磨损，为防堵塞采用开式叶轮等。a 1 e k s a n d e r s r o u d n e v “”探讨了不同形状的蜗壳对杂质泵性能的影响及在设计中应考虑的问 题，并应用到两种大功率的杂质泵设计当中，取得了良好的效果。秦爱义5 ”介绍 了正确设计杂质泵蜗壳隔舌的方法，提高了水泵的效率与性能，并减轻了汽蚀。 两相流泵过流部件采用的材料是影响寿命的主要因素之一。为减轻固体颗粒 对过流部件的磨损，除设计沉沙池、改进水力机械设计和控制运行工况等措施外， 提高水力机械过流部件本身的抗磨性能、研制抗磨材料，对解决磨损也是条重要 途径。国内外两相流泵生产厂家和科研部门十分重视耐磨材料的开发和应用。 w a s t a u f f e r “”对3 0 0 多种材料进行过磨蚀实验，我国水电行业研制的非金属涂 层在实际应用中效果良好，并取得较好的经济效益旧1 ，抗磨焊条铺焊易磨过流区 域和粉末冶会工艺在实际使用中效果显著。除了已经形成系列的镍系、铬系和镍 铬系金屑耐磨材料和橡胶类材料外，近年来，又研究了淬火铸铁、新系列亚共晶 和过共晶耐磨耐腐蚀白口合金铸铁和高锰铜臼口合金铸铁等材料。这些材料的出 现，不仅大大地降低了成本，而且拓宽了杂质泵适用范围。一些厂家开展聚氨酯、 尼龙等各种塑料材料和烧结陶瓷材料的研究，在一些领域内应用，取得良好的效 果。 在所有的抗密金属材料的应用研究之中，进展较快、取得成果较显著的是对 高铬白口铸铁的研究。与其它抗磨金属材料相比，各种铬含量的共晶组织或接近 共晶的亚共晶组织的铸铁在抗磨性能上明显优越，适用范围显著扩大，被广泛应 用于杂质泵的过流部件及其它抗磨机械。 材料的金相组织、元素成分、热处理工艺都造成材料的耐磨性差异，因而深 入研究材料的各种性能及其耐磨性能是项意义重大的研究课题。 尽管国内外在离心式两相流泵的研究上取得了重大成果，但还有很多工作要 做。进一步弄清内部流动规律，建立内外特性之间的关系，完善水力设计理论， 以及对结构的改进、抗磨蚀材料的深入研究等，都是两相流工作者们迫切的任务。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 选题背景 1 3 选题背景与研究内容 我国搠有众多江河湖泊，水力资源十分丰富。随着国民经济迅速发展，为确 保航运、防洪、发电、农田灌溉，保护生态环境，实现南水北调，充分利用水资 源，必须对江河湖泊进行清淤治沙工作，也就是疏浚： 程。疏浚工程是应用水力 或机械方法挖掘水下的砂石及淤泥并进行输移处理的工程。通常使用挖泥船进行 疏浚作业。 我国两大著名河流长江、黄河水系，即使在非汛期，含沙程度也十分严重。 如黄河水的平均含砂量己达2 0 k g m “”1 。长江中上游由于森林植被减少，每逢汛 期，造成大量水土流失，过多的泥沙在河道中沉积，致使部分航道搁浅、航运中 断；同时大量沉积的泥沙也造成河床上升，加剧洪水泛滥，严重威胁着流域地区 广大人民群众的生命和财产安全，对我国国民经济建设带来一定牵制作用。仅长 江每年洪水期带入洞庭湖的沉积泥沙就达一亿立方米，建国以来，已淤积4 0 多 亿立方米。1 9 9 8 年在我国发生的特大洪涝灾害，粗略估计所带来的直接经济损 失至少为1 6 0 0 亿元人民币o 。为从根本上改变清淤治沙工作的被动局面，九五 期间以发展疏浚装备列为重点，一批以1 7 5 0 m 3 h 绞吸挖泥船为代表的大型疏浚 船舶投入使用，开创了我国内河疏浚史上的新篇章。 离心式泥泵，从开始应用到挖泥船已有很长的历史。由于离心式泥泵在远距 离水力输送上的明显优点，目前采用离心式泥泵的挖泥船也早已不局限于港口码 头，航道工程的疏通和清淤了，而广泛应用于农田水利和河道疏浚开挖，水利冲 填，河堤加固、湖海造地等方面，它在各类挖泥船中已占有2 3 t ：e 重。 1 3 。2 目的与意义 在挖泥船上的泥泵及管道输送系统中。泥泵是关键设备之一，正是通过泥泵 的抽吸将泥排到船上或岸上，因此泥泵的高效稳定运行是整个疏浚过程的关键。 在挖泥船施工过程中会碰到各种不同的工况( 硬质粘土、胶结沙、沙砾、砾石， 甚至岩石等) 。由于疏浚土质的差异性以及河床的复杂性，泥泵的性能会有很火 的变化。其中输送介质的变化是影响泥泵性能的重要因素，研究输送介质特性( 如 泥沙的粒径，浓度等) 对泥泵的影响，对提高泵效，节约能源，减少磨损是很有 意义的。 探求固体物料对泵外特性的影响，对解决泵的设计问题不可能提供直接的指 导作用，但可以在现有泵的基础上，给出其适合的运行范围，即适当的工况，固 河海大学硕士学位论文 第幸绪论 体浓度、粒径等参数，具有使用意义。在泵的两相流理论成熟之前，这种外特性 方法在实际中很有价值。 1 3 2 研究内容 本文结合导师的纵向科研项目9 4 8 计划课题：城乡河网多功能疏浚设备及其 关键技术。本人参与承担其中的泥泵特性研究。对离心泵泥泵在不同输送介质卜 的外特性进行研究，同时进一步研究泵内固液两相流动特性。 本文以实验研究为主，揭示某种粒径泥沙在不同转速、不同输送浓度下，对 泥泵扬程、功率、效率等的影响。研究预测泥泵性能下降的计算模型。 1 。4 本文工作及结构 第一章：介绍固液两相流泵在各行业的应用以及固液两相流泵在国内外的研 究情况，同时介绍本文的研究背景和内容，说明固液两相流泵外特性研究的必要 性和意义。 第二章：简要叙述固体物料和浆体的一些基本性质，同时介绍实验中要涉 及的泥泵的特性参数，然后介绍泥泵基本方程的理论推导与分析，最后介绍泥 沙对泥能性能影响的因素。 第三章：叙述了管道水力输送实验系统的组成。该系统由动力部分、泥沙输 送部分、控制部分及参数测量与数据采集几大部分组成。然后从硬件及软件两方 丽对参数测量与数据采集系统所具备的功能及设计思路作了详细介绍。最后介绍 实验数据的初步处理方法。 第四章：简要叙述了物料的选择及实验用沙和实验方法，然后描述了实验现 象并对实验结果进行了分析，最后讨论了输送浓度等因素对泥泵扬程、功率、效 率等的影响。 第五章： 总结了本文所作的工作并得出结论，并对今后需要深入研究的内 容作了简单论述。 河海人学硕士学位论文 第一章泥采性能实验理论基础 2 1 1 物料 第二章泥泵性能实验理论基础 2 1 物料和浆体基本性质 2 1 1 1 物料的密度和比重 物料的密度系指单位体积的质量，以n 表示，通常以k g m 37 ：t 。；物料的比 重系指物料的密度与清水的密度之比值，即 s ：旦 ( 2 一1 ) 成 式中：肛去除水分后干物料的密度( 堙) ；风清水的密度( 取为l o o o k g t , , , 3 ) 。 2 1 。1 2 粒径与粒度分布 a 粒径矿 粒径系指单个固体颗粒的大小，以长度单位表示。通常把粒径小于】i n m 的 物料称作粉料，大于l m m 的物料日q 粒料。 粒径的测量方法很多，主要有一维的长度测定法、二维的按投影面积求出 当量径的方法，三维的按颗粒体积求出当量径的方法。目前较为实用的方法主 要有以下三种。 ( 1 ) 直接测定当量直径：即显微镜粒径，凡粒径较大的粒体或粉体颗粒，可 在显微镜下观察，一般可按一维、二维作统计测定。 ( 2 ) 用标准筛筛分法：用标准筛按一空间间隔将物料颗粒筛分，分别求得其 粒度分布，求得其平均粒径。 ( 3 ) 间接测定有效粒径：对于细微的物料，利用沉降速度的原理来测定形状 不规则颗粒的当量球径，再按斯托克斯定律算出。 b 平均粒径 平均粒径即大小颗粒的粒径平均值。平均值的计算方法有算术平均、几何平 均、调和平均等多种。比较适用的有：众数径、中径和比表面积径。 ( 1 ) 众数径吨，：以粒度分布中所占百分率( 重量或几个数) 最高的粒径表示。 9 河海大学硕士学位论文笫章泥泵性能实验删论基础 ( 2 ) 中径d “以粒度分布中筛上累积重量( 或个数) 的百分率为5 0 时的粒 径表示。 ( 3 ) 比表面积径d 。：单位重量粉体颗粒的总表面积称为比表面积，其值由 空气透过料层时压损的实验测得。 c 粒度分布 实际上的固体物料是由各种粒径的物料颗粒混合组成。为了鉴定其粒度分 布的情况，通常采用标准筛筛分的方法，按一定的粒径范围，将它们分成若干 级别，最后以各个级别的粒体重量( 或颗粒个数) 的相对值来表示粒度分布状态。 标准筛制是对粒径级别间隔划分的具体规定，目前各国的标准筛制各有不 同，我国常用泰勒标准筛，标准筛的单位为“目”，一标准目相当于 1 i n 2 ( 6 4 5 2 m 珊2 ) 有4 0 0 0 0 个筛孔，孔径为0 0 0 2 1 i n ( 0 0 5 3 3 朋肌) ，泰勒标准筛 系列以筛孔面积的2 倍递增组成。固体物料粒子的粒度常用筛号的“目”数表 示，如“1 0 0 目的粒子”表示通过1 0 0 号筛的粒体。 x 一 翔 蕾 量 * 图2 1 典型的颗粒分布曲线图 a 一粒径分布较窄；b 一粒径分布较宽 表示粒度分布的方法有两种： ( 1 ) 粒度分布曲线将粒度分布用曲线图表示，筛上累积重量的百分率以r 计，筛下累计重量百分率以r 计，即r = 1 一r 。这样从累积粒度分布曲线不难 看出粒度分布的情况，呈凹形的曲线，表示含有较多的细小粒级，而凸形的曲 线，则表示含有大颗粒的数量较多。 ( 2 ) 粒度分布方程式粒度分布的曲线是有一定规律性的，它可以由数学方 程表达，其中最为典型的是震置粒度分布式： r = 1 0 0 0 e 一”= 1 0 0 1 0 一。4 ” ( 2 - 2 ) 河海人学硕士学位论文 第二章泥泵性能实验理论基础 上式是由罗辛( r o s i n ) 和朗姆勒( r a m m le r ) 经概率论和统计学研究后得到 的规律，适用于一般粉粒体粒度的分布。式中 为均等数，表示粒径分布的均 等程度，而指数b 或b 1 愈大，则意味着平均粒径小。 2 1 2 浆体 浆体一般是指固体粒状物加水搅拌后形成的，它的性质和清水不同，主要 与固体物料的密度、粒径、颗粒形状及浆体浓度密切相关。 固体物料在清水中主要产生二种效应：( 1 ) 粘性效应；( 2 ) 阻力效应。为方便 起见，可以把粘性效应强的浆体称为非沉降浆体，把阻力效应强的浆体称为沉 降浆体。对于粒径分布比较窄( d 5 0 0 1 m m ) 的固体物料，比如：沙子、铁矿砂等组 成的浆体都是沉降浆体。在沉降浆体中，固体颗粒不完全处于悬浮状态。当水 在管内流动时，固体颗粒跳跃式地沿管壁移动，这时滑动摩擦损失和碰撞损失 是主要的。因此非沉降浆体与沉降浆体的水力损失机理是不同的。下图表示固 体物料比重与平均粒径对浆体性质的影响。 毳飞 ” _ x f 、 1 鞲舞 瓣撵臻 l 一 x 1 臻辘藉赣疆誊，* h h | i | i 图2 - 2 渣浆类型的确定 河海大学硕士学位论文第二章泥泵性能实验理论基础 2 1 2 1 浆体密度与浓度 固体物料水力输送时，需要消耗的能量直接与浆体的密度、浓度有密切的 关系。固液两相流中所指的密度除了固体颗粒的密度和介质的密度之外，常用 的还有浆体的密度，即单位体积浆体的质量，常用符号成表示。 浆体的密度可用常规方法，如比重瓶法测定，也可根据固体颗粒的密度和 液体密度来确定，其关系如下：以：了黑 ( 2 5 ) 成2 巧1 而二百 0 2 均 p 。p 。 式中：岛，混合浆休的密度；风固体物料的密度；风液体的密度；q 浆体的重 量浓度，用固体颗粒重量的百分数表示。 由于管道流体力学更直接地与所含圆体颗粒的体积有关，常用体积浓度 c ，即固体颗粒的体积百分数，体积浓度c 与重量浓度q 的关系如下： 1 0 0 鱼 c ；盎= 警 ( 2 - 。， p ；p 。 c w = c 。p ： ：纽 g 见+ ( 1 0 0 一c v ) 风岛 ( 2 7 ) 在管道流体力学中，固液两相流的性质曼直接地与浆体的体积浓度有关 但两种浓度都经常使用。 2 1 2 2 流变特性 在研究固液混合物的管道输送时，对其流变特性( 即浆体的流动与变形的特 性) 的研究是非常重要的，特别是高浓度浆体的管道输送，其流变特性与清水相 比有很大的差异，对固液混合物的运动机理都有很大的影响。水中颗粒很小、 粒径分布很窄的渣浆属于非沉降类，并且性能象牛顿液体一样( 剪切应力正比于 剪应变) 。当颗粒较大时，液体的密度和固体颗粒的密度之间存在差异，颗粒会 发生沉降。并且颗粒和液体会表现出其各自的性能，在液体经过颗粒时，由于 液体“阻尼”，能量会有损耗，造成泵扬程和效率的下降。液体和颗粒之间存在 速度差。 河海大学硕士学位论文 第，= 章泥泵牲能实验理论挂础 2 2 泥泵主要特性参数 离心泥泵的特性参数有：流量( q ) 、扬程( h ) 、转速( ) 、功率( n ) 和效率( 玎) 等，这些参数表示了泥泵的工作性能。 2 2 _ 1 流量 流量表示单位时间内泥泵泵送出的水或泥浆的体积量。用q 表示，单位用 聊3 s 或 ，流量由管路中的流量计测得，有时谈及管路中的流速，可以用 下面的公式来计算流量： 9 = 三肿( 2 - 1 1 ) 式中：q 流量( r n 3 s ) ；d 直径( 聊) ；v 流速( m s ) 。 2 _ 2 2 扬程 扬程叫压头，它是单位重量的水或泥浆通过泥泵所能得的能量，用h 表不， 单位为。泵送清水的叫清水扬程，泵送泥浆时的扬程叫泥浆扬程。 泥泵扬程为泵出口总水头和进口总水头的代数差，若进口总水头表示为： 耻z l 丑, o g + 丢 ( 2 - 1 2 ) 出口总水头表示为： ：乏+ 旦+ 娑( 2 - 1 3 ) p g二g 则扬程日可表示为： h ：( z 2 一z 1 ) + 堕塑+ 攀( 2 - 1 4 ) p g2 9 式中：z 2 ，z l 一进出口势能水头( 棚) ；k ，v l 一进出口截面积平均速度( m , ) 。 分析上式我们可知，要得到扬程，我们要先测得泵进、出口压力值或直接测得 进、出口压差值；再就是还要知道泵进、出1 7 1 的流速。对于z 2 、z l 我们可由仪 河海大学硕士学位论文第二章泥泵性能实验理论基础 表或传感器的安装位置来确定。 2 2 3 转速 离心泥泵的转速是指泵每分钟的转数，用胛表示，单位为r m i n 。转速是影 响泥泵性能的一个重要因素。当转速变化，泥泵的流量、扬程、功率等都要随 着改变。对于相似工况：流量与转速成正比；扬程与转速平方成正比：功率与 转速立方成正比。 2 2 4 功率 这旱涉及到两个功率的概念，一是轴功率，记作，表示泵的驱动单元通 过泵轴传递给泵的功率。如果能够测量泵轴的扭矩和转速。则n 可用下式来计 算： n ：z m n( 2 1 5 ) 3 0 式中：m 泵轴的扭矩( n m ) ；n 泵轴的转速( ，m i n ) 。 另一个功率的概念是指泵的有效功率。即流体通过泥泵所得到的功率，记作札，用 下式计算： 札= 错( 圳( 2 - 1 6 ) 式中：“泥浆密度( 堙m 3 ) ；q 流量( s ) ；日扬程( m ) a 2 。2 5 效率 泥泵从原动机那里获得的轴功率不可能全部传给被输送的泥浆，其中一部 分能量损失了，被输送的泥浆所获得的有效功率( n e ) 总比泵轴的功率( n ) 要小，它们的比值称为泵的效率，用野表示。是一百分数，其表达式为： ”：p , g q h ( )( 2 1 7 ) 1 0 0 0 p 式中：成，泥浆密度( k g m 3 ) ，q 流量( m 3 s ) ；g 重力加速度( 9 8 1 ，s 2 ) 日扬程( m ) ：轴功率( k w ) 。 泥泵内泥浆流动时能量损失越小，泥泵效率也高。泥泵在运转中，存在着 1 4 河海人学硕士学位论文 第二章泥采件能实验理论皋础 机械损失、容积损失、流动损失，因此，泥泵的总效率r 又可表示为 r = r , ，r 。仉 ( 2 - 1 8 ) 式中：仉，机械效率；玑容积效率；r h 流动效率。 由于泥泵输送泥浆时难免磨损和受到诸如有限叶片、流态变向等结构的限 制，摩擦、冲击等损失要比水泵高，因此效率比水泵低。现代中、小型泥泵清 水效率只有6 0 7 5 ，大型泥泵也很少超过8 0 。当泥泵输送泥浆时效率还要 下降些。 2 3 泥泵清水特性曲线 2 3 1 理想性能曲线 鉴于泵内部流动的复杂性，至今还不能用理论计算的方法求得，而是通过 试验来确定。但对性能曲线进行理论分析，对了解性能曲线的变化规律以及影 响性能曲线的各种因素，仍具有十分重要的意义。 叶片无限多且无限薄并为理想流体时，珥。与q 。的关系为一条自左至右下 降的直线( 后向式叶轮) ，如图2 - 1 所示， 2 3 2 能量损失 f t i a 弋_ 碍p t 2 耳岛b 2 一 c o t 芦2 图2 - 3q 一h r 。曲线 流体流经泵不可避免要产生各种能量损失，按其性质可以分为机械损失、 容积损失和流动损失三部分。这些能量损失至今仍不能用理论方法计算出精确 河海大学硕l 学位论文 第一章泥泵性能实验堙论基础 的结果，特别是流动损失一项更是如此。实际中往往采用半经验、半理论的i 算公式对各种能量损失进行估算。 2 3 2 1 机械损失 泵的机械损失主要包括：( 1 ) 叶轮旋转时轴与轴封、轴与轴承的摩擦损失； ( 2 ) 叶轮旋转时叶轮两侧盖板外表面与机壳之间流体的摩擦损失，称为圆盘摩 擦损失。轴与轴封、轴与轴承的摩擦损失通常较小，且与轴承、轴封的结构形 式、填料的种类、轴径的加工工艺以及流体的密度有关，这类损失约占轴功率 的0 5 3 。圆盘摩擦损失因惯性离心力而形成回流产生，具有流动损失特点， 但它只耗输入功率而不降低流体扬程故归入机械损失。圆盘摩擦损失可有f 式 求得： c 虬= 世硝q 2 ( 1 十詈) ( 2 1 9 ) 圆盘摩擦损失是机械损失的主要部分，约占轴功率的2 1 0 。 2 3 2 2 容积损失 容积损失因叶轮旋转后形成压力差，高压侧流体通过间隙流至低压侧，造成 能量损失。容积损失以下几个部位：( 1 ) 叶轮入口与外壳之间的间隙处；( 2 ) 平衡 轴向力装置与外壳的间隙处。这两处的泄漏量一般为理论流量的4 1 0 。 2 3 2 3 流动损失 流动损失发生在吸入室、叶轮流道、导叶和壳体中。主要由三部分组成：( 1 ) 流体和各部分流道壁面摩擦产生摩擦损失；( 2 ) 流道断面变化，转弯等会使边界 层分离，产生二次流而引起扩散损失；( 3 ) 由于工况改变，流量偏离设计流量时， 入口安装角和叶片安装角不一致引起冲击损失。 在所有损失中，流动损失最大，是影响泵效率的主要因素。 2 3 3 实际性能曲线 无限多叶片的理论扬程是假设叶片为无限多个，流体为理想流体的情况下 得到的，实际上叶片数有限，而且流体是有粘性的，流体流经叶轮要产生各种 能量损失，以后向式为例，对理想性能曲线进行修正，分析曲线变化。 t 6 河海人学硕士学位论文第二章泥泵性能实验理论基础 图2 4q ，一h r 性能曲线 对于有限数叶片的叶轮，由于轴向涡流的影响，从而其所产生的扬程降低， 可用滑移系数进行修正。 h r = k h r 。 ( 22 0 ) 滑移系数k 恒小于1 ，且基本与流量无关。因此，有限数的q 。一乒k 曲线，也 是一条向下倾斜的直线，由于有限叶片流道具有轴向涡流，且随q 。的减少而使 v 2 。减小得更多。因此，倾斜地位于无限多叶片q 。一上k 曲线之下，如图2 - 4 中 b 线所示。考虑实际流体粘性的影响，还要在可。一手k 曲线上减去因摩擦、扩 散和冲击而损失的扬程。因为摩擦及扩散损失随流量的平方增加，在减去各流 量下因摩擦及扩散而损失的扬程后即得图2 4 中c 线。冲击损失在设计工况卜| 为零，在偏离设计工况时则按抛物线增加，在对应流量下再从c 曲线上减去因 冲击而损失的扬程后即得d 线。除此之外，还需考虑容积损失对性能曲线的影 响。因此，还需在d 线上的各点减去相应的去相应伪泄漏量g ，即得到流量与 实际扬程的性能曲线g 。一，如图2 4 中e 线所示。 2 4 输送泥浆时泥泵性能 在进行固体物料的水力输送时，固体颗粒的特性及浆体浓度对泵的性能会 产生有影响，这是因为混合物中固体颗粒的动能不能变为压能，也不能传递流 体中含有的压力能，因此在进行水力输送时，固体颗粒的能量只能靠水具有的 河海大学硕士学位论文第二章泥泵性能实验删论基础 能量传递而增大，又由于固体颗粒在泵内互相碰撞消耗能量，固体颗粒表面的 阻力形成附加的摩阻损失，其速度滞后于水的速度，因此，用离心泵输送固液 混合物时，泵的扬程、效率和功率都将变化。 2 4 1 理论扬程公式的推导口哪 母厉 l ， i 飞 飞弋 图2 5 理论扬程公式推导示意图 将动量矩定理应用于离心式泥泵所输送的固液混合物( 固液二相流体，浆 体) ，从而研究被叶轮前后盖板和假想的靠近叶片两个旋转面i 、i i 所包围的流 体，如图2 - 5 所示，经过r 时间后这两块固液混合物的动量矩分别为： k n = ( q 几u ：，+ q ，p ，k 。，) a t r 2 ( 2 2 1 ) l i l = ( g p v o , + q ，p i v 。, r ) a t ( 2 2 2 ) 动量矩的变化量为： 址2 k n 一- 。( 2 - 2 3 ) = 州q 。只( 吒，巧一心。，) + 劬。乃吒乃一vl ，) 叶片作用在混合物上的外力矩m ： m = 面a l = q + p a v o p 吒- - i ，u i s _ ) + 纺p s - ( v o 。，一k ，) ( 2 - 2 4 ) 外力矩m 在单位时间内所做的功札应等于单位时间内叶轮所传递的能量即： 札= m 珊= h h 绒 ( 2 2 5 ) 据此整理后得： 2 舞 。， = 詈h 坞飞幽) + ( 1 吲( 、弦幽) 这就是离心式泥泵输送固液混合物时理论扬程公式，即所谓泥泵基本方程式。 1 8 阿海大学硕士学位论文 第一章泥泉性能实验理沦基础 泥泶埋论于勿栏公式o j 以改与成r 甄： h ，= 警 q k ：，+ o - c d v 。：， 一导 o 心，+ ( 卜c d v 。， ( 2 - 2 7 ) g 。 。 g 。 1 。 假定泵进口无预旋，即l l u 。s = o ，= o ，则上式变为： = 等 c w v v ，+ ( 1 一巴) k ： ( 2 - 2 8 ) o u 整理得： = * 飞，+ q ( 岷嘲) 2 9 ) 2 4 1 理论分析”1 在不含固体颗粒的普通清水的情况下，离心泵的理论扬程由下式近似确定 一。：堑_ 亟( 2 - 3 0 ) 图2 - 6 叶轮出口速度三角形 如图2 6 所示，流体质点将以如日、b 、c 的轨迹行进，出口速度三角形为a b c ， 而当水中含有沙等固体颗粒时，其运动轨迹将沿口、b 、a 行进，混合流的平均 出口速度三角变为a b c 。水由于向固体颗粒传递能量，作为混合整体，其流动 方向要改变，在叶轮出口处，绝对速度在切线方向的分速度减少了a c 一因此， 其扬程要降低。这里e ，的值随固体颗粒的浓度及粒度大小等变化，其扬程的 1 9 河海大学硕十学位论文 第二章泥泵性能实验理论基础 变化也与固体颗粒浓度及粒度相关。 离心泵输送固液混合物时的理论扬程小于抽送清水时的值，在同一流量下 随固体浓度的增大，泵的理论扬程降低。 由于对泵内两相流的研究尚不成熟，离心泵在水力输送固体颗粒时的性能 还主要依靠实验研究。 2 5 泥沙对泵性能影响因素 泥沙对泵性能影响的根本原因是在水中的沙粒既不能保持