（机械电子工程专业论文）疏浚泥泵叶轮参数化设计及泥泵性能预测.pdf

摘要 疏浚泥泵是固液两相流泵的一种应用形式，是水力输送式挖泥船的关键设 备，主要用于河湖清淤、港口航道建设等基础设施工程中。叶轮则是疏浚泥泵 最关键的零件，其设计质量好坏直接关系到泥泵工作性能的优劣、疏浚效率的 高低和使用寿命的长短。疏浚泥泵的叶轮设计过程较复杂，工作量较大。尽管 近几年来国内疏浚事业有了蓬勃的发展，但目前国内大中型水力式挖泥船的关 键设备如泥泵等还依赖于进口或仿制，所以有必要对疏浚泥泵进行研究。 疏浚土质包含淤泥、粘土、泥沙、砾石，甚至大块的珊瑚礁、碎石土等， 土质特性差异很大。本文在现有的圃液两相流泵设计理论的基础上，针对疏浚 工程土质特性和疏浚泥泵工作特点，提出了疏浚泥泵叶轮的设计方法，开发了 相应的v i s u a lb a s i c 程序，并应用p r o e 进行了叶轮实体造型，实现了疏浚泥 泵叶轮的参数化设计。本文的另一项工作是运用实验手段和预测模型探索泥砂 对泥泵性能的影响。本文工作有助于疏浚工程技术人员提高对疏浚泥泵的认识， 并在实践中合理地设计和使用疏浚泥泵。 关键词：疏浚泥泵叶轮设计性能预测 a b s t r a c t d r e d g ep u m po rs l u r r yp u m pi s a na p p l i c a t i o no fs o l i dl i q u i dt w o 。p h a s ef l o w c e n t r i f u g a lp u m p sa n dt h ek e ye q u i p m e n to fh y d r a u l i cd r e d g e r s ，m a i n l yu s e di nt h e i n f r a s t r u c t u r ep r o j e c t ss u c ha sd r e d g i n gi nr i v e r sa n dl a k e s ，c o n s t r u c t i o no fp o a sa n d w a t e r w a y sa n ds oo n t h ei m p e l l e ri st h ek e yc o m p o n e n to fad r e d g ep u m p t h e q u a l i t yo fd e s i g n i n gt h ei m p e l l e rw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fs l u r r yp u m p ， t h ee f f i c i e n c yo fd r e d g i n ga n dt h es e r v i c el i f eo fi m p e l l e r t h ed e s i g np r o c e s so f i m p e h e ri sv e r yc o m p l e xa n dn e e dab i ga m o u n to fw o r k i nr e c e n ty e a r s ，a l t h o u g h c h i n a sd r e d g i n gi n d u s t r yh a sa c h i e v e dv i g o r o u sd e v e l o p m e n t ，t h ek e ye q u i p m e n t s u c ha ss l u r r yp u m p so fl a r g ea n dm e d i u ms i z e dh y d r a u l i cd r e d g e r sa r em a i n l y i m p o r t e df r o ma b r o a d s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h es l u r r yp u m p t h e r ea r ec o n s i d e r a b l ed i f f e r e n c e si nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o i l ，w h i c h i n c l u d e ss i l t ，c l a y , s a n d ，g r a v e l ，c v c nt h em a s s i v ec o r a lr e e f , c o b b l ea n ds oo n b a s e d o nt h et h e o r yo nt h ed e s i g no ft h es o l i dl i q u i dt w o - p h a s ef l o wc e n t r i f u g a lp u m p sa n d c o n s i d e r i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o i lu n d e r w a t e ra n dt h eo p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r e d g ep u m p ，t h ed e s i g nm e t h o do ft h ed r e d g ep u m pi m p e l l e r i sp r e s e n t e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gv i s u a lb a s i cp r o g r a mi sd e v e l o p e da n dt h es o l i d m o d e lo fi m p e l l e ri sa l s oc r e a t e db yu s i n gp r o e t h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g no ft h e s l u r r yp u m pi sr e a l i z e d a n o t h e rt a s ki nt h i sp a p e ri st h a tw e a l s os t u d yt h ee f f e c t so f s a n do nt h ep e r f o r m a n c eo fas l u r r yp u m pb ye x p e r i m e n ta n dp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n m o d e l s t h ew o r ko ft h i sp a p e rw i l lh e l pt e c h n i c i a n si nd r e d g i n gi n d u s t r ye n h a n c e t h eu n d e r s t a n d i n go fs l u r r yp u m p ，r e a s o n a b l yd e s i g na n du s et h es l u r r yp u m pi n p r a c t i c e k e yw o r d s ：d r e d g i n g ，s l u r r yp u m p ，i m p e l l e r , d e s i g n ，p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n i l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：堑釜：盘2 0 0 6 年3 月2 4 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 6 年3 月2 4 日 河海大学烦i j 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 固液两相流泵 圃液两相流泵普遍应用于工农业生产及实验研究中。周液两相流泵又称杂质 泵，通常包括泥泵、砂砾泵、渣浆泵等类型，广泛应用于采矿工业中矿渣及电厂 粉煤灰的输送、煤炭部门水煤浆运输及水利工程中疏浚作业等“1 。一方面随着国 民经济的发展，市场对固液两相流泵的需求日益扩大，固液两相流泵行业的前景 非常看好：另一方面由于固液两相流泵抽送介质的千差万别，两相流流动问题的 复杂性，使得对固液两相流泵的研究十分重要。 1 2 固液两相流泵研究进展 对固液两相流泵的研究，包括外特性研究、内部流动规律研究及结构、材料 特性研究等。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、汽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 1 工作特性研究 固液两相流对泵工作性能的影响，国外学者已经进行了大量的理论探讨与实 验研究。据文献 2 介绍，早在1 9 3 7 年，奥布雷恩就通过实验研究了颗粒粒径和 体积浓度对泵性能的影响，并提出了砂水混合物在叶轮内运动的物理模型。随后 几年，费而班克提出了输送固液混合物时泵的理论扬程表达式，式中包含了混合 物的体积浓度、固体物料的比重和混合物容重等参数，这也是渣浆泵的基本方程 式。扎里亚则分析了固体颗粒对泵性能的影响，推导出了泵送混合物时扬程和效 率的经验公式，并用实验的方法进行了验证。 随着我国工农业的大力发展，对固液两相流泵的研究也在不断深入，起初主 要是有关浑水对清水泵工作性能影响的外特性方面的研究。张维聚、马振宗、陈 涟等分别通过理论分析和实验研究探讨了固体颗粒的浓度、比重、粒径分布及粘 性对清水泵性能的影响0 4 1 。李仁年则分析了不同叶轮时含沙水流对性能的影响 规律，探讨了叶轮主要参数的确定及设计方法“3 。 对固液两相流泵工作性能的研究，尤其是关于扬程和效率的变化国内外学者 进行了大量的实验研究和理论分析工作，提出了一些具有实际意义的经验公式。 何希杰采用数理统计和回归分析方法，对渣浆泵浆体试验数据进行分析整理，提 出渣浆泵扬程降与浆体参数和叶轮主要参数之间的经验公式”1 。 疏浚泥泵叶轮参数化设计及泥榘性能预测 即老小( 亩1 + 1 6 9 - 2 3 髻心 ( 1 _ 1 ) 式中：h 。一固液两相混合物工况下泵扬程，h 。一清水工况下泵扬程，h r 一扬程比降， d 。一颗粒中值粒径( m ) ， s 颗粒比重， c v 一体积浓度( ) ，d j 一叶轮外径( r a m ) 。 c a v e 研究渣浆泵输送水煤浆性能变化，提出如下修正公式”1 ： 巩- 鲁= 1 - 3 8 5 x 1 0 - 2 p 一1 ) 0 + i 4 ) 心( 志) c 。 “- 2 ) 式中：d s o 一颗粒中值粒径( m ) ， s 一颗粒比重，c 。一重量浓度( ) 这类经验公式都是在不同实验条件下得到的，具有一定的局限性。由于各工 程领域中固体颗粒在粒径及其分布、浓度、重度、形状等方面呈现的多样性，研 究人员提出多种形式的扬程降预测模型，预测的误差在 - 1 5 甚至更高。 1 2 2 磨损特性研究 对固液两相流泵来说，磨损是非常普遍的现象，根据其使用条件，固液两相 流泵的磨损属于淹没水流下的水力冲蚀型磨粒磨损。固液两相流泵的磨损形式主 要有普遍磨损和局部磨损两种。普遍磨损主要是两相流冲刷过流表面引起的磨 损，而局部磨损通常是由于过流表面附近流动状态恶化所致。颗粒对固液两相流 泵过流部件的磨损有着很大的影响，容易导致泵的材料损失，同时也使得泵的工 作性能发生变化，其下降程度随着固体颗粒尺寸的逐步增大而增强。特别是泵叶 片磨损严重时易造成叶轮内部流动的紊乱，使其性能急剧下降，大大的缩短了固 液两相流泵的使用寿命。 国外对材料磨损的研究较早，据文献 9 、 1 0 介绍，对离心泵这类旋转机 械，由于颗粒在泵中运动的复杂性和实验条件的限制，使得早前一段时问对磨损 的研究主要侧重于离心泵的干蚀。1 9 5 8 年，w a s t a u f f e r 在实验基础上提出， 水力机械中的主要磨损形式是擦划型冲刷磨损，并对3 0 0 0 多种材料进行了磨蚀 实验。m c r o c o 则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体颗粒的直接冲击、紊动冲击和通过边壁的 滑动摩擦。b 卡列林则论述了离心式渣浆泵的磨损机理、类型、实例和预防磨损 的措施，同时还分析了泥砂粒径尺寸对叶轮和渣浆泵叶片进出口的磨损情况。日 本的y o s h i r 0 1 w a i 等人在不同实验条件下，对1 3 种不同材料的衬套进行了耐磨 蚀特性研究，讨论了不同冲角和颗粒尺寸条件下材料的磨蚀特性，并给出了计算 磨蚀损失的经验公式。g r a i gi w a l k e r 等通过实验对不同型式的衬套对固液两 相流泵磨损的影响进行了研究，并给出了主要参数的经验磨损公式。 国内对磨损方面的研究也较多，罗先武、黄建德、许洪元、陆力、何希杰等 采用磨损失重法、表面涂层法和磨损深度测量等多种方法对离心泵叶轮内的磨损 河海大学碗士学位论文 第一章绪论 规律、磨损形态、泵的运行性能与磨损的关系进行了较为系统的实验研究，总结 了颗粒粒径、浓度、叶轮转速及叶片参数对泵磨损性能的影响规律“。杨建国 等提出了在叶轮进口增设导轮来减轻固液两相流对离心泵叶片的磨损，并通过实 验研究初步验证了其可行性“”。杜荣贵“”、邢述彦“”从不同角度探讨了固液两相 流泵的磨蚀机理，并提出了抗磨蚀措施。曾慧兰等则从水力设计、结构、工艺等 方面阐述了输送含沙水泵的防磨蚀措施“。李志华伽1 、江海燕。”分析了固液两相 流泵过流部件常用材料的性能及其优缺点，为圃液两相流泵过流部件的设计和选 材提供了参考。陈红生研究了固液两相流离心泵磨损机理，指出离心泵内叶轮出 口附近的射流一尾流结构是离心泵内的局部磨损的重要原因。1 。 在对固液两相流泵磨损性能的研究中，学者们提出了一些关于固液两相流泵 磨损性能预测公式。 ( 1 ) 何希杰提出了预测泵用材料失重量的一种方法，采用多元回归方法研 究了材料性质、介质性质和实验条件中六个因素对标准试样圃液两相流泵用材料 失重量的综合影响及捧序，得到其影响大小的顺序为瞄1 ： h r cbv d h m c 。d p ( 卜3 ) 式中：”表示参数的重要程度，如v d 即表示线速度矿比颗粒粒径d 相对重要一些。 同时利用上述六个参数估算了该标准试样失重量的公式： a g 0 2 3 + 0 6 7 d + 0 3 2 h m + 0 7 2 c + 0 6 9 v 一0 0 8 p - 9 7 3 ( h r c 1 0 0 ) 2 s ( i - 4 ) 式中：d 一颗粒粒径( m n ) ，h m 一颗粒莫式硬度c 。一重量浓度( ) ，v 一线速度( m s ) p 一材料密度( t m 3 ) ，h r c 一材料硬度， a g 一材料失重量( m g ) ，s 一剩余标准离差 ( 2 ) 权晓波等应用二级模糊综合评判法建立了包括运行、介质、结构等各环 节对泵磨损影响的因素体系，确立了泵磨损的模糊分类等级对应分值，构造了泵 磨损模糊关系矩阵，特别定义了泵的磨损严重程度。“： t n 。c b 7( 卜5 ) 表卜1 泵磨损严重程度等级对应分值 磨损等级严重等级 i中等磨损轻微磨损未磨损 对应分值0 - - 0 - 6l0 6 “0 80 8 1 01 0 式中：c 一磨损程度评判等级的加权向量( 见表i ) ，b 一二级综合评判向量，r 一表示转置， r f t 一泵磨损严重程度，t n 值越小表示磨损程度越严重。 经验公式难以全面精确描述实际的磨损过程，探索固液两相流泵磨损机理和 规律、寻求减轻磨损破坏的方法和新型的防护措施，仍是学术界、工程界密切关 注的课题。 3 疏泼泥浆n f 轮参数化设计及泥采性能预测 1 、2 3 内部流动规律研究 研究浆体对固液两相流泵外特性方面的影响，就必须要了解引起这些外特性 变化的内部流动机理。内部流动的研究主要包括两相流流速场、液相压力分布、 颗粒碰撞机理及运动轨迹等研究，这对于固液两相流泵的优化设计、减轻磨蚀及 延长使用寿命等具有重要的指导意义。国外对固液两相流泵内部流动的研究开展 较早。经历了理论分析、实验研究和数值模拟三个阶段，采用了先进的测试技术、 有限元分析方法等手段揭示了两相流流场规律、颗粒受力情况及颗粒运动规律等 内部特性1 。 国内对圃液两相流泵内部流动的研究目前主要集中在颗粒运动规律、两相流 流场分析及实验研究上，清华大学对固液两相流泵内部机理进行了开拓性研究。 其中许洪元等利用粒子成像测速技术对离心泵流道中固体颗粒速度场进行了研 究，实验结果表明固体颗粒的密度影响其在叶轮中的相对运动轨迹，而其粒径和 形状主要影响其运动速度大小啪1 。吴玉林则利用两相流动的多流体模型和世一 一一。两相流湍流模型计算了渣浆泵叶轮内的二维固液两相湍流，并与实验结 果进行了对比“”；同时为了提高离心泵的抗磨蚀能力，吴玉林等人对泵内固液两 相流的流态进行深入研究。在多相紊流运动双流体模型的基础之上，建立了两相 紊流运动的大涡模拟。利用大涡模拟，对离心泵叶轮内部的厨液两相流动进行了 数值计算“目。刘正英则用有限差分法对叶轮流道中的圃液两相流动规律进行了数 值模拟1 。高瑛采用数值计算方法研究船用挖泥泵内部三维粘性流动特性，在流 场计算的基础上，利用压力、速度矢量分布等处理手段显示内部流场，分析在不 同工况下流道的内部流态，研究挖泥泵流道内部的流动规律，对机组的各项性能 做出合理的判断。计算流体力学c f d 技术，具有成本低、速度快、计算结果信 息量丰富等优点，已经在泵设计领域得到了越来越广泛的应用。 关于固液两相流泵内部机理的实验研究，国内外已经广泛运用激光多普勒测 速技术( 简称l d v ) 、粒子图像测速技术( 简称p i v ) 等非接触测量方法研究两相流 场，取得了很好的效果。 1 2 4 汽蚀特性研究 固液两相流泵吸入口处的绝对压力不能低于环境温度下的工作水的饱和压 力，不然，部分水就要汽化并产生汽泡。汽化后的汽泡随着流体到了叶轮的高压 区时受压突然破裂、凝结产生巨大压力并发出异常响声、振动，造成水力冲击的 汽蚀。同时，还容易引起泥泵特别是叶轮机械腐蚀和疲劳磨损。 国内外对汽蚀性能的研究，相比于对固液两相流泵磨损性驻的研究要少的 多，这里主要介绍国内对汽蚀机理的研究进展。理论研究方面，李文广从液相能 量出发，推导了固液两相流泵装置汽蚀余量方程，分析了固相颗粒对泵装置汽蚀 4 w f 壬大学颅i ：学位论文 第一章绪论 余量的影响，结果表明固相密度、体积浓度对泵装景汽蚀余量影响较大。“。李仁 年等从理论上分析推导了抽送含沙水流时泵的临界汽蚀余量随含沙量的变化关 系： ，dd 、 删。一n p s h , , + c v ir “- - r vi ( 卜6 ) 、 m ， 式中：n p s h 。一抽送清水时泵临界汽蚀余量，n p s h , , 。一抽送含沙水流时泵临界汽蚀余 量，g 一含沙水流的体积浓度，k 一浆体的重度，只一汽化压力，匕一泵进口断面压力。 由式卜6 可知：清水泵抽送含沙水流时其临界汽蚀余量增大，使泵提前发生 汽蚀，临界汽蚀余量的增值与含沙量成线性关系，并阐述了清水泵抽送含沙水时 汽蚀破坏加剧的原因及安装高度的确定原则。钟震从理论上分析了固液两相流 泵内汽蚀产生的原因，建立了汽蚀状态方程式，提出了泵汽蚀余量的计算方法： 幽一o 2 9 ) o + 九，) q 2 ，印2 d d 一2 ) + 丸石2 d o ，n 2 3 6 0 0 1 ( 卜7 ) 式中：丸，一临界汽蚀系数，d 0 。一叶轮, k d 直径，以一泵的转速，q 一流量，k 一计算系数。 这对固液两相流泵汽蚀的研究和计算具有重要的实际意义o ”。吴海亭对渣浆泵汽 蚀形成的原因、汽蚀发生的条件、汽蚀的种类及其破坏机理进行了分析，论述了 在电厂排灰系统广泛应用的渣浆泵过流部件的破坏型式“。实验研究方面，李吉 太4 ”、赵会军啪1 分别采用了噪声法、电测法等手段来预测和诊断汽蚀。杜同则认 为水力机械中鱼鳞状表面破坏不是泥砂磨损的特征，而是在含砂水中汽蚀破坏的 一种特征，这种破坏是汽蚀的结果。赵万勇分析了抽送含沙水时对叶轮产生的 汽蚀与泥砂磨损破坏的原因，提出在无法减少泥沙的情况下，改进叶轮形状来避 免诱发汽蚀汹1 。 1 2 5 结构及材料特性研究 固液两相流泵应具有优良的结构设计。应用合理的结构，有利于固液两相流 泵在不同的运行工况下使用。例如采用耐磨套双层结构，过流部件( 包括前护板、 护套、后护板、叶轮等) 易于更换和调整，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 l e k s a n d e r s r o u d n e v 1 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。刘书菊分析了渣浆泵常用轴承组件的结构及 其优缺点，并针对渣浆泵径向力大、多级串连泵轴向力大的特定要求，提出了较 合理的轴承组件的结构型式，供设计人员参考”。 固液两相流泵过流部件材料的选择是影响寿命的关键因素之一。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 5 疏浚泥泉叶轮参数化设计及泥泵性能预测 用。w a s t a u f f e r 在实验基础上提出，水力机械中的主要磨损形式是擦划型 冲刷磨损，并对3 0 0 0 多种材料进行了磨蚀实验“。王志高等对用于水力机械抗 磨保护涂层的非金属高分子材料进行了研究，并对水泵运行在泥沙磨损工况时有 涂层与无涂层保护进行了比较分析，指出根据磨损或磨蚀部位的不同应用不同涂 层，可取得良好的抗磨效果和经济效益”“。 目前国内外固液两相流泵上普遍采用了硬镍铸铁，高铬铸铁，c r l 5 m 0 3 以及 非金属材料。砂砾泵和挖泥泵过流部件上较为普遍的采用奥氏体锰钢。硬镍铸铁， 高铬铸铁，c r l 5 m 0 3 都是合金白口铸铁，耐磨性能非常优良。而在输送细颗粒和 无尖锐棱角的固体颗粒时，天然橡胶比现有任何耐磨金属材料都耐磨。除了已经 形成系列的镍系、铬系和镍铬系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白口合金铸铁 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，在些领域 内应用，取得良好的效果。 1 3 本课题研究意义及内容 1 3 1 本课题研究意义 我国是一个拥有众多江河湖库的国家，但同时河道港口的淤积也非常严重， 因此江河湖库的疏浚日趋重要。清淤疏浚是提高大江、大河、大湖防洪及通航能 力行之有效的工程措施。在机械疏浚设备中，泥泵是关键设备之一，正是通过泥 泵的抽吸将泥砂排到船上或岸上，因此泥泵的高效稳定运行是整个疏浚过程的关 键。由于疏浚土质的差异性，河床的复杂性，泥泵的性能会有很大的变化。其中 输送介质的变化是影响泥泵性能的重因素，研究输送介质特性( 比如泥砂的粒径， 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。 同时在疏浚泥泵的设计上，由于固体颗粒的存在导致叶轮中两相流动的复杂 化，泥泵叶轮的水力设计至今还没有广泛认可的理论计算公式，仍然依靠经验公 式和具体工况条件进行设计。目前，大中型挖泥船的泥泵一般采用进口或仿制国 外产品。要在实际应用中取得良好效果，需要对疏浚泥泵进行深入的研究。同时 运用实验研究手段，对实验数据进行分析，探索泥砂特性对离心泵输送性能的影 响，并在此基础上建立数学模型，可以对泥泵的开发设计和使用提供建议，使挖 泥船高效稳定地生产。 1 3 2 本课题研究内容 针对疏浚工程土质特性和疏浚泥泵工作特点，在现有的固液两相流泵设计理 论的基础上，提出了疏浚泥泵叶轮的设计方法，开发了相应的v i s u a lb a s i c 程序， 同时应用p r o e 对实例进行叶轮实体造型，实现了疏浚泥泵叶轮的参数化设计。 6 河海大学碗i ：学位论文 第一章绪论 本文的另一项工作是运用实验手段和预测模型探索泥砂对泥泵性能的影响。通过 对三个阶段实验数据的定量分析，提出适合疏浚工况下泥泵的性能预测经验公 式。最后结合疏浚泥泵叶轮设计，将合适的泥泵性能预测经验公式应用于叶轮的 参数化设计程序中，可以在实践中合理地设计和使用疏浚泥泵。 本章小结 本章首先介绍了固液两相流泵的国内外研究进展，尤其是对固液两相流泵外 特性及内部流动规律的研究。同时介绍了固液两相流泵尤其是疏浚泥泵性能研究 的重要性和意义，并对本课题的研究内容进行了阐述。 琉浚泥泵叶轮参数化醚计及泥采性能预测 第二章疏浚泥泵叶轮的参数化设计 2 1 疏浚泥泵叶轮设计概述 我国江河湖库泥砂淤积问题严重，清淤疏浚任务艰巨。疏浚工程中使用的泥 泵是固液两相流泵的一种应用形式，也是挖泥船关键设备之一。疏浚泥泵抽送泥 浆的浓度较高，泥泵扬程和效率普遍下降，过流部件的磨损也十分严重，疏浚施 工效益受到很大影响。需要着重指出的是疏浚工程中抽送的泥浆与浑水有着很大 的区别，前者的含沙量几倍甚至几十倍于浑水的含沙量。高浓度泥浆的流动状态 及输砂特性与浑水有着很大的不同，高浓度泥浆不仅表现出非牛顿流体的特性， 同时，大量颗粒的存在电会影响液相的流动特性，后者的变化又会反过来影响颗 粒的运动。又由于疏浚土质分类范围比较广，包含淤泥、粘土、泥沙、砾石， 甚至大块的珊瑚、碎石土等。土质特性差异很大。因此疏浚泥泵的设计较之其它 浑水泵的设计要求比较高。 叶轮则是疏浚泥泵最关键的零件，其设计质量好坏直接关系到泥泵工作性能 的优劣、疏浚效率的高低和使用寿命的长短。疏浚泥泵的叶轮设计过程较复杂， 设计工作量较大。尽管近几年来疏浚事业在国内有了蓬勃的发展，但目前国内大 中型水力输送式挖泥船的关键设备如泥泵等还依赖于进口。近年来，国内也在进 行仿制。所以对疏浚泥泵进行研究具有重要意义。 2 1 1 琉浚泥泵的应用及其主要结构 疏浚泥泵普遍应用于挖泥船上。挖泥船按照工作原理一般分为两大类：机械 式挖泥船和水力式挖泥船“”。水力式挖泥船主要有绞吸式、耙吸式、斗轮式、吸 扬式等，主要依靠水力输送或船舶自航可以长距离输送挖掘的介质，而且挖掘、 输送、排放是同时连续进行的。图2 - 1 是疏浚工程中应用最广泛的绞吸式挖泥船。 其基本的作业过程是：绞刀切削水下介质( 如淤泥、粘土、泥沙、砾石、珊瑚礁、 岩石、污染物等) ，形成固液两相混合物后，经由舱内泥泵或绞刀桥架上的水下 泥泵抽吸，输送至指定地点排放、处理，完成所谓的清淤与吹填。 洲海人学硕tj ：学位论立第二章疏浚泥泵叶轮的参数化设计 图2 - 1 绞吸式挖泥船图2 - 2 绞吸式挖泥船切削输送系统 疏浚工程中另一种比较常用的水力式挖泥船是耙吸式挖泥船，耙吸式挖泥船 具有自航能力，调遣费用低，挖深大，输泥距离不受限制，特别适合于远距离取 沙的填海造地、大型港口航道的建设与维护等工程。耙吸式挖泥船如图2 - 3 所示。 图2 - 3 耙吸式挖泥船 装备在挖泥船上的疏浚泥泵则是利用叶轮的叶片与流体相互作用，使固液混 合物在旋转的叶片流道中运动时获取能量，从而达到输送固液混合物的目的。泥 泵过流部件主要由叶轮、护套和护板组成。泥泵所抽送的介质通常包括淤泥、砾 石、珊瑚礁、岩石等，因此要求其过流部件的流道宽阔、有较大的通流能力。其 泥泵及叶轮结构组成可见图2 4 图2 - 6 ： 疏浚泥泵叶轮参数化设计及泥泉性能预测 圈2 - 4 疏浚泥泵叶轮实物圈 厂 、 l 影 厂n 。 - - x f 过 _ 沙 卜一 ( 图2 - 5 叶轮结构示意图 图2 - 6 泥泵结构示意图 1 一齿轮箱或托架2 一机械密封组件3 一密封箱4 一接合扳5 一后护板6 泵体7 一 叶轮8 - - 前护设9 一泵盖1 0 一支架 2 1 2 主要参数 表征疏浚泥泵主要的参数有流量q 、扬程日、转速n 、汽蚀余量幽、功率 和效率，7 ，泥浆的容重及浆体浓度，最大允许通过粒径d 等。 ( 1 ) 流量 流量是泥泵在单位时间内所抽送的浆体量，通常流量是由一只测量排泥管路 中泥浆流速的流量计测得，有体积流量和质量流量之分，但通常所说的流量是指 体积流量，用q 表示，单位为米3 秒( m s ) 。 ( 2 ) 扬程 扬程是指单位重量浆体通过泥泵后所获得的能量，即泥泵吸入口处与压出口 处单位重量浆体的机械能之差，用日表示。 ( 3 ) 转速 泥泵的转速是指泥泵转子每分钟旋转的转数，用n 表示，单位是转分 ( r m i n ) 。转速是影响泥泵性能的一个重要因素。 ( 4 ) 汽蚀余量 泥泵的汽蚀余量是表征泥泵汽蚀性能好坏的参数，用 或n p s i q 表示，单位 1 0 ? 海入学硕一j ：学位论文 第二章琉浚泥泵叶轮的参数亿设计 为米( m ) 。 ( 5 ) 功率和效率 泥泵的功率指泥泵的输入功率，即是原动机传到泥泵轴上的功率，用| 表 示，单位为瓦( w ) 。泥泵的输出功率是指浆体流过泥泵时，由泥泵传递给它的有 效功率，用表示。 输入功率和输出功率之差是泥泵内的损失功率，损失的大小用泥泵的效率来 计量。 ( 6 ) 泥砂特性 泥砂特性主要包括浆体的容重k 、浆体浓度，最大允许通过粒径d 一等参 数。浆体的容重是指单位体积的浆体所具有的重量用k 表示，单位为k n m 3 。用 公式表示为： r & ( 2 - 1 ) k 萨 l rm 式中：k 一浆体的容重，瓯一浆体的重量，屹一浆体的体积。 浆体的浓度通常有两种表示方式，一种是体积浓度，另一种是重量浓度。体 积浓度是指浆体中固体物料所占的体积与浆体体积的比值，用c ，表示。而浆体 中固体物料的重量与浆体重量之比，则称为重量浓度，用c w 表示。浆体浓度的 大小实际上表示浆体中所含固体物料的百分数，固体物料的含量愈多，浆体的浓 度就愈大。 最大允许通过粒径d 。则表征了固体颗粒在泥泵流道中通过能力的大小，泥 泵在抽送浆体时，为防止浆体中颗粒粒径过大引起泥泵流道的堵塞，故应对固体 颗粒的粒径大小进行限制。 2 1 3 主要特点 疏浚泥泵通常是单级悬臂式离心泵，叶轮从结构形 式上分，主要有丌式，半开式和闭式三类。为了减少颗 粒对泵的蜗壳的磨损和颗粒在蜗壳内的淤积，疏浚泥泵 一般不采用开式叶轮，通常采用闭式结构( 如图2 7 ) 。 由于所抽送介质的特殊性，决定了疏浚泥泵的结构及使 用具有以下特点： ( 1 ) 疏浚泥泵叶轮结构，在轴面图上为两壁接近平行 的宽流道，叶片数较少( z = 3 5 ) 。 ( 2 ) 过流能力强，可连续性抽送高浓度含砾石、 圈2 - 7 泥豪的过流部件圈高塑粘土块、碎石土等浆体。 1 一叶轮2 一吸水室3 压水室 疏浚泥泵叶轮参数化设计及泥泉性能预测 ( 3 ) 疏浚土质分类范围较广，颗粒在叶轮内运动轨迹各不相同，从减轻磨蚀 角度出发，抽送不同浆体时其泥泵叶轮的参数亦不相同。 ( 4 ) 船用性好、体积小、重量轻。 ( 5 ) 工作运行稳定性好，振动小。 ( 6 ) 结构简单可靠、易于拆装、维修方便。 从图2 7 可以看出，闭式叶轮由前盖扳、后盖板、叶片和轮毂构成，泥泵叶 轮主要几何参数如表2 - 1 ： 表2 - 1 叶轮几何参数 泵入口参数叶片数 泵出口参数叶片包角 进口直径i 进口宽度l 入口角 出口直径l 出口宽度 出口角 d 1 i b l l 屈 z d 2 l 6 2扇 妒 2 1 4 疏浚土质的分类 疏浚工程中泥泵所输送的介质粒径范围非常广，从细小颗粒的淤泥土类到大 颗粒的岩石类均有。正是由于输送介质的特殊性，使得疏浚泥泵的水力设计与清 水泵设计大不相同，同时也导致了疏浚泥泵的结构参数、水力设计的几何参数以 及运行参数因不同的工况要求而不同。土颗粒的粒径是土分类的首要指标，因此 根据固体颗粒粒径大小可以把疏浚工程中输送的介质分为三大类“： ( 1 ) 第一类介质：淤泥土类，d 0 0 7 5 r a m ： ( 2 ) 第二类介质：砂土类，0 0 7 5 m m d 2 0 m m ： ( 3 ) 第三类介质：砾石、碎石类，d 2 0 m 。 2 1 5 水力设计方法概述 固液两相流输送泵，包括疏浚泥泵在内，其工作介质不是单相流体。固体颗 粒的存在，引起泵性能发生变化，同时导致泵过流部件易产生磨蚀，其设计方法 与清水泵有本质区别。由于泵内固液两相流动的复杂性，人们在研究泵内两相流 动规律和建立泥泵合理的设计方法等方面遇到了很多困难。随着我国工农业的大 力发展，对固液两相流泵的研究也在不断深入，许多学者对固液两相流泵的设计 原理进行了探讨，并提出了一些实用的设计方法。 早期的固液两相流泵设计方法主要是经验系数设计法，该方法是通过对已有 固液两相流泵的水力模型进行数理统计和回归分析而形成的一种经验设计法。据 文献 4 4 介绍，8 0 年代初刘湘文根据多年工作经验，参照水泵计算公式和国外 资料提出了离心式泥泵系数设计法，并给出了泥浆泵主要参数的计算方法。黄黔 生则收集了大量国外资料总结出离心式泥泵叶轮的设计方法。何希杰则在“离心 海人学砸l 学位论文第二章疏浚泥泵叶轮的参数化设计 式泥浆泵的基本原理与设计方法”一文种总结归纳了已有的经验系数设计法。这 些设计方法可供固液两相流泵的设计研究作参考。用经验系数设计法设计的固液 两相流泵，主要以清水流场为基础，故对泥泵存在的磨损和效率问题没有很好的 解决办法，同时设计过程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太令人满意。为了从根本上解决 问题，部分学者将固液两相流泵的水力设计问题提升到理论上，在两相流动理论 基础上提出了固液两相流泵的设计主导思想。即以清水为参照量，把固体颗粒的 运动看作水流运动的边界条件；同时考虑绕流的强度和固体颗粒相互跟踪性，离 散性和固体颗粒的物化性等；以及在复杂运动条件下的相关结构等。固液两相流 泵的两相流设计方法，主要有畸变速度和固液速度比设计法。文献 4 5 介绍畸变 速度法是将固体作为水流运动的边界条件，由于固体的影响，在泵的进口，固体 对液体产生“相对堵塞”：在泵的出口，固体对液体产生“相对抽吸”；从而使 水流的速度场发生某种畸变，但该理论及其设计方法并非很完善。其叶轮的工作 方程为： ，一v 一；五，r ( 2 2 ) l v 舾2 = 峰。 ( 2 - 3 ) 式中：。，v m s ，v m ，一分别为两相流的水流、同体、清水的轴面速度分簧：墨一叶轮中 同体颗粒系数。 圃液速度比设计法认为泵流道中的固液两相流动为分离流动。由于固体和液 体密度不同，在泵流道的不同部位，固液体两相具有不同的速度场。由于固相和 液相之间的速度比不同，固液两相的浓度比也随之变化“。定义： 固液两相流速度比： k v 一班 ( 2 - 4 ) 固液两相流浓度比： k 。c ，c (), 2 - 5 式中：k ，以一分别是固相和液相的速度；c ，c 。分别是同液两相流的输送体积浓度 和当地体积浓度。 由两相流动研究推导的固液速度比方程为： k o = c v + ( 1 一c ，) k ， ( 2 - 6 ) 两相流理论及其设计方法的提出，对推动固液两相流泵的设计和研究起到了 一定的积极作用。运用两相流理论设计疏浚泥泵的主要特点“”： ( 1 ) 抗磨蚀性好：按两相流理论设计可以有效地转换能量，减轻磨蚀。 在输送高速度浆体时，固液两相运动的速度差可以很小，其速度场和压力场的变 化规律近于清水泵，因此有利于减少汽蚀破坏；而且固液两相速度变化率易于一 致，撞击磨损大大减小，延长了疏浚泥泵的使用寿命。 ( 2 ) 效率高：在各种泥泵效率中，通常容积效率和机械效率变化范围不 大，对泥泵效率起主要影响作用的是水力效率。按照两相流理论设计的泥泵其叶 琉浚泥泵n l + 抢参数化设计及泥泵性能预测 型和流道是按照水流的真正速度场设计的，因此在一定条件下，水力效率不仅不 会下降，反而可能有所上升。 2 1 6 疏浚泥泵叶轮设计特点 疏浚泥泵的叶轮设计应当依据固液两相流理论和磨蚀机理，主要从以下几个 方面去综合考虑： ( 1 ) 介质：疏浚土质特性差异很大，不同的土质对疏浚泥泵的工作性能、 磨蚀性能的影响均不一样，需要区别对待。 ( 2 ) 效率：合理的叶片进出口角、良好的叶片型线、合理的叶片包角等都 会有利于提高效率。效率是衡量疏浚泥泵性能的重要指标之一。 ( 3 ) 抗磨性：不同粒径、密度的颗粒，在叶轮内运动轨迹亦不相同，设计 合适的叶轮参数，有利于提高疏浚泥泵的抗磨性抗磨性能直接关系到泥泵的寿 命，是衡量泥泵性能的另一个重要指标。 ( 4 ) 结构：对固体颗粒的输送，需要考虑其输送的连续性，同时疏浚泥泵 抽送的介质中往往含有大颗粒介质，必须在设计时考虑到颗粒的通过性，以防止 泵堵塞。 ( 5 ) 材料：除了介质因素和设计因素外，疏浚泥泵过流部件所选用的材料 性能对其使用寿命也有非常重要的影响。 2 2 叶轮进口参数设计 疏浚泥泵叶轮进口几何参数主要包括叶轮入口直径、叶轮进口宽度和叶片进 口安放角等参数。在叶轮进口处，固液两相相对逆向流动，“相对堵塞”情况严 重。因此必须针对这一特点通过对叶轮进口各参数的选择、组合及相互补充，才 能获得较好的吸入性能并减小磨损。 2 2 1 叶片进口角的确定 疏浚泥泵在抽送固液混合物时，较大的叶片进口角可增加叶轮入口过流面 积，但过大的叶片进口角有可能使叶片型线入口部分呈现“鹅头”现象“，这是 我们所不希望的。因此叶片进口角应根据最小可能的磨损量并考虑所抽送固液混 合物的磨蚀特性来确定，应主要考虑固体颗粒的粒径大小，则入口角的确定分两 种情况“”： ( 1 ) 抽送第一类介质时，疏浚泥泵入口边磨损强度很小，入口角选取的主要 条件是保证所需的吸入能力，一般取反在1 8 。一2 5 之间。 ( 2 ) 抽送砂土、砾石等固液混合物时，入口边磨损强度很大，叶片入口角的 选取依据主要是保证磨损量最小，而入口边磨损量随着入口角的增大而减小，一 1 4 河海_ 人学顺j ：学位论文 第二章疏浚泥象叶轮的参数化设计 般取晟在3 0 。4 0 之间。 而叶片进口安放角度般是按照混合流速计算的液流角加上合理的冲角得 到的，即： 岛- 岛+ 卢 ( 2 - 7 ) 抽送第一类介质时冲角一般取小些，卢一3 口一1 5 。： 抽送第二、三类介质时冲角应该取大些，a 卢1 5 一2 5 。 2 2 2 叶轮入口直径及进口宽度的确定 对于抽送磨料固液混合物的泵，转速应当小于抽送均质液体的泵转速，才能 保证泵过流部件具有较长的使用寿命。根据国内外的有关资料，泥泵常用的泵进 口当量直径与转速关系如表2 2 ： 表2 - 2 进口当量直径与转速关系 o o m m 1 2 51 2 5 2 5 02 5 0 4 0 04 0 0 5 0 0 5 0 0 一8 0 0 9 0 0 h r m i n l 1 4 7 01 4 7 0 9 8 09 8 0 7 4 07 4 0 5 9 05 9 0 3 7 5 3 0 0 叶轮进口直径d 1 一般取( 0 9 1 o ) d o ( d o 为叶轮进i ：3 当量直径) 。叶轮进口 当量直径则是采用两相流体模型，以叶轮固液流体水力损失最小为原则，经过一 系列数学推导得到的删： d 0 。b ( 1 一g ，疋) “s 、犀( 2 - 8 ) yn 式中：q 和h 分别为泥泵的设计流量和转速，系数七o ，可参考清水泵的设计选择k c 为叶 轮进口的圆液两相流浓度比。 确定进口宽度反时，若从汽蚀角度考虑，较大的叶片宽度自然有利于提高汽 蚀性能，同时较大的叶片宽度亦有利于大颗粒的通过性。但进口尺寸过大时却容 易导致颗粒沉降，所以叶片宽度应当适当限制而不宣过大“4 ”j 。一般b l 取 f 0 5 一o 6 ) d o 。 2 2 3 叶片数的确定 叶片数z 对泥泵性能曲线的影响也很大。从理论上讲，要获得由理论速度三 角形所表示的扬程需要无数个时片。实际的泥泵中，扬程和效率随着叶片数而增 加a 但叶片数过多时，泵性能曲线容易产生驼峰：而叶片数减少时，泵内水力损 失增大，导致水力效率下降，因此泵的效率也就下降”1 。对于疏浚泥泵而言，不 仅要考虑泵的效率因素，而且要考虑固体颗粒在泵内地通过能力。过多的叶片数 不易障碍物或大块石头通过，会严重堵塞叶片进口区域，同时降低叶轮水力效率； 1 5 疏浚泥泵叶轮参数化设计及泥泵性能预测 较少的叶片数也有利于克服性能曲线的驼峰。 图2 - 8 是关于叶轮分别具有5 、4 和3 片叶片由柴油机驱动的泥泵特性图。 由图可见，叶片数少的泥泵压头较小。随着叶片数的增加，泥泵在调速器范围内 的曲线变陡了一些，当流量减小时，装用叶片数少的叶轮使公称全转矩点向较大 流量而压头向较小方向流动。 薹f 刘 引 、ill = 目 b 、il 羚毒 卜片叫 。片叶| 一6 叶t 叶轴 一， ， j 伙f 、叠 j 咔_ i 卜叶 。叶片咔j 蠢量“- d 一 图2 - 8 叶轮叶片数目不同的泥泵特性 i 司