新型高效扭曲叶片的叶轮研制

泥泵作为水力式挖泥船的核心装备之一，直接决定了挖泥船的生产能力。泥泵的设计具有其特殊性，主要表现在输送的固体物粒径变化较大，输送过程中流速和泥浆浓度的稳定性差，输送过程中需要较大的过流通道等方面。对于疏浚工程用的泥泵而言，希望具有更大的过流通道、更高的泥泵效率、更低的必需汽蚀余量。如中交天津航道局有限公司承建的俄罗斯圣彼得堡港疏浚工程中，投入了大型耙吸挖泥船，其泥泵的必需汽蚀余量和泥泵效率均较高，但是其最大过流通道较小，导致块石堵塞叶轮频繁，船舶的生产能力受到了较大的限制。虽然可采用切割叶片进口增加最大过流通道[1]，但泥泵的必需汽蚀余量和效率随之下降明显，泥泵运行经济性不佳。随着流体动力学技术的发展，泥泵的水力设计水平得到了较大进步，采用新的泥泵叶轮设计方法和手段，可以改进增加最大球形通道[2]，同时也保持相对较高的泥泵效率。国外泥泵的开发已经有较成熟的产品，以IHC、VOSTA等公司为代表的设计理念及产品都较先进，这些公司在20世纪都采用了柱形叶片，而近些年都开发了高效的扭曲叶片，泥泵效率得到了较大提高。我国也开始研制高效泥泵并应用到实际工程[3-5]，其叶片均采用扭曲叶片。本文在不改变原来泥泵叶轮外形的基础上，将原来的四叶片泥泵改造成扭曲三叶片，采用大型两相水力输送试验平台进行水力性能试验，分析新型泥泵的性能。

1 试验方案

1.1 试验平台

泥泵及管路输送试验平台的管道直径为450 mm，单泵驱动功率达1 200 kW，可以开展大比尺泥泵的流量、扬程、功率、效率等关键性能试验。该平台主要由变频驱动设备、泥泵、输送管路、数据采集及控制系统组成，配备了国际先进的测试仪器仪表及数据记录系统，具有高精度流量计、密度计、压力传感器、转速扭矩仪等测量仪器，整个试验过程通过计算机远程控制，数据采集均通过计算机自动记录。试验平台见图1。

图1 试验平台

1.2 测量方法

通过水平或垂直安装电磁流量计测量流量。通过数字压力传感器测量压力，在试验系统可对泥泵吸入真空(压力)、扬程(泵两端压差)、测试段压差和某一点的压力进行测量；测量压差时将测试段两端的压力介质引到同一高度，以消除重力的影响。

1.3 试验土

水力输送试验土的粒径分布为：> 2.0 mm颗粒(砾石)含量为24.7%；0.5～2.0 mm颗粒(粗砂)含量为58.6%；0.25～0.5 mm颗粒(中砂)含量为13.4%；0.075～0.25 mm颗粒(细砂)含量为3.1%；0.005～0.075 mm颗粒(粉粒)含量为0.2%。

1.4 试验过程

将进口公称直径为450 mm的两种叶轮分别安装在试验台的两台泥泵上，两泵串联运行，其中1号泵安装的是四叶片叶轮，2号泵安装的是三叶片叶轮。试验数据采集时两泵同步进行，分别采集流量、泥浆密度、扬程(进出口压差)、泵轴的转速和扭矩，具体操作流程见图2。

图2 试验流程

2 泥泵叶轮设计

泥泵设计过程中为了不改变泥泵的整体结构和叶轮的外形尺寸，对叶片进行优化设计。为提高叶轮的最大过流通道，将原四叶片叶轮改造成三叶片叶轮，叶片包角也更大，叶片设计采用计算流体动力学的方法进行优化，整体呈空间扭曲形状，由于采用了扭曲的三叶片形式，叶轮最大过流通道的直径较原来的四叶片叶轮增加了40%。改造前后的泥泵内流体域见图3。

图3 改造前后泥泵内流体域对比

采用计算流体动力学方法模拟了泥泵转速350 rmin，泥泵运行工况下泥泵流量范围从2 000～4 000 m3h的水力特性，计算结果见图4。可看出，三叶片泥泵叶轮扬程较四叶片叶轮要高，在2 000 m3h时，扬程相差1.69 m。

图4 泥泵特性曲线

3 试验结果

试验获得的叶轮在不同流量和泥浆密度下的进出口压力差见图5。可看出，泥泵的进出口压力差随着流量的增加而减小，随着泥浆的密度增加而升高；2号泵的进出口压力差整体高于1号泵。

图5 流量、泥浆密度和进出口压力差云图

为更好地对比两泵的区别，将两泵的进出口压力差换算成泥浆柱的扬程概念，单位用kPa表示，即进出口压力差除以泥浆密度(记作“扬程(换算清水)”)。两泵的流量与扬程曲线见图6，可以看出2号泵的扬程比1号泵高13 kPa。

图6 流量-扬程曲线

试验获得的叶轮在不同流量和泥浆密度下的泥泵功率见图7。可看出，泥泵的轴功率随着流量的增加而减大，随着泥浆密度的增加而升高；2号泵的轴功率整体低于1号泵。

图7 流量、泥浆密度和功率云图

为更好地对比两泵的区别，将两泵的轴功率换算成清水状态下的数值，单位用kW表示，即轴功率除以泥浆密度(记作“功率(换算清水)”)。两泵的流量与功率曲线见图8，可看到2号泵的功率比1号泵低10 kW。

试验获得的叶轮在不同流量和泥浆密度下的泥泵效率见图9。可看出，泥泵的效率随着流量的增加先增大而后减小，随着泥浆的密度增加而降低；2号泵的效率整体高于1号泵。

图8 流量-功率曲线

图9 流量、泥浆密度和功率云图

两泵的流量-效率曲线见图10，可以看到2号泵的效率比1号泵高约10%。

图10 流量-效率曲线

4 结论

1)采用新开发的新型高效扭曲叶片的叶轮，可以在泥泵的最大过流通道和泥泵效率两方面提高泥泵性能。

2)本文开发的新型叶轮与原来柱形叶片叶轮相比，泥泵效率提高了约10%。