楊恒玲，劉少軍，鄒偉生

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深海采礦高揚程粗顆粒多級輸送電泵研究

楊恒玲1, 2，劉少軍1, 2，鄒偉生3

(1. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙, 410083；2. 中南大學 深圳研究院，廣東 深圳, 518000；3. 湖南大學 流體力學及其裝備研究所，湖南 長沙，410082)

針對揚礦電泵高揚程、粗顆粒過流及軸向流等問題，以深海采礦多級輸送電泵整體設計為研究對象，通過對比國內外優(yōu)秀的深海采礦泵模型，提出高揚程粗顆粒多級輸送電泵的設計方法，并進行四級揚礦電泵設計。分析并計算多級輸送電泵所受的外載荷、軸向力和螺栓承受的拉力，利用有限元分析軟件對泵體的強度和剛度進行計算，最后對兩級揚礦電泵的工作特性進行實驗研究。研究結果表明：當設計流量為432 m3/h時，兩級電泵的揚程為82 m；當結核漿體體積分數(shù)為0~10%時，泵的功率?流量曲線變化平緩，泵的顆粒過流能力強，泵的各部件均滿足強度和剛度的要求，驗證了多級輸送電泵設計方法的有效性。

深海采礦；揚礦技術；揚礦電泵；渣漿泵

海洋廣泛分布多金屬結核、多金屬硫化物和富鈷結殼等深海礦產(chǎn)資源[1]。自20世紀60年代以來，許多國家已將開采海底礦產(chǎn)資源作為國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標。深海采礦必須依賴適應深海極端惡劣作業(yè)環(huán)境的開采技術與裝備，其中將數(shù)千米深的海底礦產(chǎn)資源輸送到海面是關鍵之一[2]。當前公認并唯一通過了實際海試驗證的方案是采用鋼管加軟管和提升泵組成的管道輸送系統(tǒng)，將深海固體礦物輸至水面上的采礦船[3]。泵作為提升管道輸送系統(tǒng)的關鍵設備，對整個采礦系統(tǒng)的可靠性和使用壽命起到?jīng)Q定性作用。深海揚礦電泵屬于一種特殊用途的渣漿泵，其設計需滿足抗高壓、粗顆粒、無堵塞、高揚程、耐磨損、耐腐蝕、高效率、長壽命、高可靠性等特點[4?6]。在固液兩相流渣漿泵設計及性能研究方面，CROCO等[7]通過對渣漿泵進行試驗研究，得出了固液兩相流中的顆粒粒度及濃度與泵性能的關系；GRAHAM等[8]對離心式渣漿泵的非均質和均質漿體泵特性進行了計算；PARK等[9]用CFD軟件對1臺多級提升泵內固液兩相流和清水這2種流體的流動特征進行了數(shù)值模擬。張德勝 等[10?12]采用粒子成像測速和外特性試驗的方法，研究了渣漿泵葉輪和蝸殼的匹配關系。陶藝等[13]采用Particle 歐拉多相流模型對渣漿泵磨損進行了數(shù)值模擬，并通過試驗驗證了模型的正確性。上述成果都是基于普通渣漿泵，對研究深海礦漿提升泵有一定的借鑒意義，但由于海底作業(yè)環(huán)境很差，即使使用同樣的方法，所設計的礦漿泵性能也難以滿足深海采礦的要求，因此，需要對深海揚礦電泵的設計方法進行進一步研究。目前對深海揚礦電泵的研究以德國和日本最具代表性，其研究成果均被列為核心秘密。1978年，OMI財團使用德國KSB公司研制的潛水揚礦電泵進行深海多金屬結核開采試驗，但試驗因為該泵的磨損嚴重而終 止[14?15]。1986年，日本荏原公司進行了多級揚礦泵的相關試驗研究，然而，該泵并未能解決停泵后粗顆粒礦物的順利回流問題[16?17]。我國從2002年開始進行兩級輸送電泵的研制和相關試驗，但尚未解決泵的堵塞問題[18?19]。本文從高揚程粗顆粒礦漿泵整體結構、多級礦漿泵的力學特性和強度準則等方面探討深海揚礦電泵，以便對進一步認識深海揚礦電泵和研究高效提升粗顆粒固液兩相流提供參考。

1 多級輸送電泵的結構設計

1.1 輸送電泵的技術要求與總體結構

1 km水深中試輸送電泵技術要求如下[4]：揚礦系統(tǒng)總揚程為160 m；結核密度為2.0 t/m3；礦漿最大體積分數(shù)為10%；流量為432 m3/h；單級揚程大于等于40 m；效率為45%~50%；清水密度為998.5 kg/m3；海水密度為1 028 kg/m3；標準轉速為1 450 r/min；泵的必須汽蝕余量為5.3 m。

圖1所示為電泵的整體結構圖。揚礦電泵外部采用筒裝式結構，泵的外殼包括吸入法蘭、環(huán)形流道、泵筒體和吐出法蘭等部分，各部分之間依次用螺栓固定。泵與電機連接后裝入泵外殼內，泵軸與電機軸采用套筒聯(lián)軸器剛性連接，泵的首級葉輪連接著環(huán)形流道，末級導葉通過螺栓與吐出法蘭連接，泵的各級轉子之間通過葉輪及導葉的流道依次連接，葉輪通過鍵與泵軸連接隨泵軸一起轉動，導葉固定不轉，且與泵軸之間加有滑動軸承。泵的兩端進、出口法蘭與揚礦硬管采用螺栓連接，實現(xiàn)輸送電泵與揚礦硬管的串接。

1—吸入法蘭；2—電機；3—環(huán)形流道；4—螺母與螺栓；5—多級泵；6—泵筒；7—吐出法蘭

1.2 泵的主要設計參數(shù)

1.2.1 泵進出口流道直徑

泵的進口直徑s由下式計算：

式中：s為泵的進口平均流速；為流量。當流量=120 L/s時，進口的平均流速為4 m/s，進口直徑s=195 mm。參考泵的標準系列口徑取s=200 mm，此時，泵的吸入流速s由下式計算：

根據(jù)水力機械設計手冊，泵的出口直徑t取(1.0~0.7)s，考慮到進出口揚礦硬管的互換性，使泵的出口直徑t等于進口直徑s，即t=s=200 mm。

對于礦漿泵，混合流體的流速取礦石顆粒沉降速度的3~5倍，以保證礦漿的成功輸送[4]。根據(jù)牛頓－雷廷格沉降速度公式，考慮礦物顆粒形狀不規(guī)則，可得礦石顆粒的沉降速度c為

1.2.2 葉輪與導葉

葉輪設計參數(shù)主要包括葉輪進口直徑、出口寬度、外徑、進出口角、葉片數(shù)、葉片進出口安放角及葉片包角。導葉設計參數(shù)主要包括導葉流線最大直徑、軸向長度、導葉片數(shù)、導葉進出口安放角。葉輪與導葉的結構如圖2所示。

圖2 葉輪與導葉剖面

葉輪進口直徑1為

式中：0為速度系數(shù)，0=3.5~5.5；為電機轉速。

葉輪出口寬度2為

葉輪外徑2為

葉輪葉片數(shù)為

1.2.3 泵的級數(shù)

由泵的比轉速確定泵的級數(shù)，泵的比轉速s為

式中：為泵的級數(shù)；為泵的揚程。為了使所設計的輸送電泵具有較高的效率，綜合考慮其他因素，取泵的級數(shù)=4，此時，s=115。

1.2.4 泵的轉速

計算所得到的汽蝕比轉速可以達到，說明選擇的轉速合適。

1.2.5 泵軸軸徑

式中：t為轉矩。經(jīng)計算并參考標準系列軸徑，取泵軸的最小直徑為70 mm。

圖3所示為電泵的流量?揚程的設計曲線。泵的設計參數(shù)通常是按照實際作業(yè)參數(shù)進行優(yōu)化設計的，但海試揚礦提升泵具有揚程高、流量小、提升物料粒徑大、揚程變化大等特點。為了確保粗顆粒結核順利通過泵的工作葉輪，其流道需具備足夠大的斷面，為此，需要提高泵的設計流量。采用放大流量設計法，應用高比轉數(shù)離心泵或混流泵的工作葉輪，在滿足泵的揚程性能的同時，提高粗顆粒的過流能力。

1—清水中泵的特性(揚程)曲線；2—5%體積分數(shù)結核漿體中泵的特性(揚程)曲線；3—10%體積分數(shù)結核漿體中泵的特性(揚程)曲線；4—10%體積分數(shù)結核漿體在管道中的阻力特性(水頭損失)；5—5%體積分數(shù)結核漿體在管道中的阻力特性(水頭損失)；6—清水在管道中的阻力特性(水頭損失)。

2 多級輸送泵的受力分析

2.1 泵組的整體受力

深海采礦系統(tǒng)主要由采礦船、提升硬管、多級輸送泵、中間艙、輸送軟管和海底集礦機組成。電泵位于海面采礦船和中間艙之間，其進出口分別與揚礦硬管連接，如圖4所示。泵組的整體受力主要包括重力、泵組所受的海水壓強和海水的液動力。

泵組所受的重力由泵體自身及以下?lián)P礦硬管、中間艙和輸送軟管等設備的重力產(chǎn)生。為了簡化計算，可將泵組及以下設備的重力當成集中力來處理。泵外殼所受的海水的壓強由電泵所處海面以下的深度和海水的密度決定。泵組所受的液動力主要由波浪、海流和采礦船的拖航引起。

假設采礦船拖航速度d，在海面下深度1，揚礦電泵管道長度d所承受的液動力d計算公式如下：

圖4 深海采礦系統(tǒng)布局圖

2.2 泵轉子的軸向力

泵轉子運行產(chǎn)生的軸向力會帶動泵軸做軸向運動，從而影響多級輸送泵的工作性能。為了避免軸向力的影響，采用止推軸承對軸向力進行平衡。泵轉子的軸向力主要由葉輪前后蓋板不對稱所引起的蓋板力g、動反力d和轉子的重力所產(chǎn)生的軸向力z組成。

2.2.1 蓋板力g

一般混流泵的前后蓋板不對稱，如圖5所示。葉輪帶動前后腔內的流體隨之一起旋轉，使得流體的壓力在蓋板側腔內呈拋物線規(guī)律分布。其中力2作用于前蓋板的外側，3作用于葉輪前、后蓋板內側的環(huán)形區(qū)域，1作用于葉輪后蓋板外側。對于深海礦漿泵，其葉輪只有后蓋板，固其蓋板力g只由1組成，計算公式如下：

式中：Rh為葉輪輪轂的半徑；R2h為葉輪后蓋板外緣半徑；Hp為葉輪出口的勢揚程；為葉輪轉過的角速度；為混合流體的密度。將參數(shù)計代入式(15)可求得單級葉輪的蓋板力Fg約為45 814 N，方向由葉輪后蓋板指向葉輪入口處。

2.2.2 動反力d

對于混流式葉輪，流體受到葉輪的作用力使流速發(fā)生變化的同時，也會給葉輪施加1個相反的動反力。動反力d的計算式如下：

2.2.3 轉子的質量所產(chǎn)生的軸向力z

該力與轉子具體的布置方式有關。根據(jù)轉子所采用的材料屬性，可估算出單級泵轉子的質量大約為430 kg，加上其中混合流體的質量，其單級轉子的總重力z約為4 500 N。

2.3 螺栓承受的拉力

螺栓承受的總拉力包括預緊力與工作拉力。

1) 螺栓預緊力0：

式中：為安全系數(shù)，取1.4；為基本載荷系數(shù)，取0.3；1為螺栓所受的工作拉力；2為螺栓殘余預緊力。

式中：為墊片系數(shù)，若選用橡膠墊片，則取=1.2；為被密封的兩相流的壓強；2為密封墊片的中間處半徑；2密封墊片的有效寬度。

2) 螺栓的工作拉力1。螺栓所受的工作拉力1主要由設備的水下重力和由被密封的液體的壓力所引起的拉力y這2部分組成。y計算公式如下：

式中：0為螺栓連接處法蘭的內徑。根據(jù)文獻[20]給出的沿海水不同深度管道內外壓的變化曲線與泵的設計參數(shù)，計算出各部分螺栓承受的拉力，如表1所示。

3 多級輸送泵泵體強度的有限元分析

3.1 法蘭的應力及變形

吐出法蘭與吸入法蘭的應力及變形如圖6所示。由圖6可看出：最大應力都出現(xiàn)在法蘭進口周圍，其最大應力分別為79.9 MPa和79.5 MPa，都比其材料鑄造合金鋼ZG1Cr13的屈服強度400.0 MPa小很多，滿足強度要求；兩者結構變形量分別在0~0.41 mm和0~0.26 mm范圍內，最大形變量在法蘭進口端面的最外緣，其變形量沿徑向逐漸減小，變化較均勻。由于在外載荷作用下，兩法蘭的形變量都很小，說明法蘭的剛性良好。

3.2 環(huán)形流道與泵外筒的應力及變形

環(huán)形流道與泵外筒的應力及變形如圖7所示。環(huán)形流道與泵外筒等效應力呈對稱分布，最大應力都出現(xiàn)在其內筒壁的下端周圍，最大應力分別為71.1 MPa和29.4 MPa，都比其材料優(yōu)質碳素結構20鋼的屈服強度410.0 MPa小很多，滿足強度要求。兩者的結構變形量分別在0~0.36 mm和0~0.16 mm范圍內，最大形變量都出現(xiàn)在下端面的外緣。其變形量沿徑向和軸向都逐漸減小。環(huán)形流道與泵外筒總的形變量都很小，說明剛性良好。

表1 螺栓承受的拉力計算值

(a) 吐出法蘭的等效應力；(b) 吐出法蘭的結構變形；(c) 吸入法蘭的等效應力；(d) 吸入法蘭的結構變形

(a) 泵外筒的等效應力；(b) 泵外筒的結構變形；(c) 環(huán)形流道的等效應力；(d) 環(huán)形流道的結構變形

3.3 泵軸的應力及變形

泵軸的應力及變形如圖8所示。從圖8可見：泵軸應力分布不均勻，兩端應力大，中間應力小，其最大應力出現(xiàn)在左側的受力軸肩處，為46.8 MPa。根據(jù)泵軸材料45鋼的屈服強度為450 MPa，許用安全系數(shù)[]=8，計算可知泵軸滿足強度要求。形變總量在0~0.09 mm范圍內，形變量由泵軸中間向其兩端減小。泵軸的形變量很小，說明泵軸的剛性良好。

(a) 泵軸的等效應力圖；(b) 泵軸的結構變形圖

4 多級輸送電泵的試驗驗證

按照上述多級揚礦輸送電泵的設計方法，加工制造了1臺兩級揚礦輸送電泵，并將其安裝在某泵業(yè)公司的試驗平臺上進行試驗。兩級揚礦電泵的試驗裝置中，兩級輸送電泵的葉輪、導葉、流道與四級揚礦輸送電泵的完全一致。通過試驗獲得兩級揚礦輸送電泵特性曲線和相關數(shù)據(jù)，驗證泵的結構設計及水力計算模型的準確性。

在試驗過程中，通過壓力變送器、扭矩測量儀等智能儀器儀表測量泵的轉速、揚程、流量、電機功率、旋轉軸的扭矩等，獲得完整的兩級揚礦電泵的工作參數(shù)。兩級電泵試驗將按泵的試驗規(guī)程在5種轉速下進行，即額定轉速=1 450 r/min，變頻轉速分別為600，950，1 250，1 350 r/min。圖9所示為額定轉速=1 450 r/min、礦漿體積分數(shù)為5%、顆粒最大粒徑為20 mm時，兩級揚礦電泵的實測特性曲線。

從圖9可以看出：當流量為432 m3/h時，兩級電泵的揚程為82 m，表明泵的試驗曲線與設計特性曲線基本吻合，泵的揚程?流量特性完全達到設計要求；泵的功率?流量曲線變化較平緩，這樣可以避免當結核漿體濃度大范圍變化時，揚礦電泵的揚程變化造成過大的流量變化致使電機的功率變化太大甚至過載的危險，達到了揚礦電泵等功率設計的目的。泵的性能試驗結果還表明：電泵運行平穩(wěn)，性能穩(wěn)定。

1—Q?P曲線；2—Q?η曲線；3—Q?H曲線。

5 結論

1) 根據(jù)渣漿泵設計理論，對深海采礦高揚程粗顆粒多級輸送電泵進行整體設計，提出了深海采礦高揚程粗顆粒多級輸送電泵的進出口流道、葉輪與導葉、泵的級數(shù)、泵的功率、效率等參數(shù)的計算和設計方法。

2) 對深海采礦高揚程粗顆粒多級輸送電泵所受的外載荷、軸向力和螺栓承受的拉力進行分析和計算，將所建立的吸入、吐出法蘭，泵外筒體，環(huán)形流道以及泵軸的三維模型導入有限元分析軟件ANSYS中進行靜力學分析，校核驗算結果表明各部件滿足強度和剛度的要求。

3) 泵的揚程、功率和效率等性能達到了設計的要求，泵的顆粒過流能力強，驗證了應用高比轉數(shù)混流泵的工作葉輪、采用放大流量的方法設計深海揚礦電泵的有效性。

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(編輯 陳燦華)

Research on multistage lifting motor pump of high lift and coarse particles in deep sea mining

YANG Hengling1, 2, LIU Shaojun1, 2, ZOU Weisheng3

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Shenzhen Research Institute of Central South University, Shenzhen 518000, China;3. Institute of Fluid Mechanics and Equipage, Hunan University, Changsha 410082, China)

Aiming at the problem of high head, coarse particle over current and axial flow in lifting motor pump, the whole design of multistage pump for deep sea mining was selected as research object. By contrasting the excellent model of deep sea mining pump at home and abroad, a design method of multistage pump for high lift and coarse particle was proposed, and the design of four stage lifting motor pump in deep sea mining was completed. The external load, axial force and bolts bear tensile force of multistage pump were analyzed and calculated, and the strength and rigidity for multistage pump body were calculated by using the finite element analysis software. Finally, the operating characteristics for two stage lifting pump were tested. The result shows that when the designed flow rate is 432 m3/h, the head of the two stage pump is 82 m. When the concentration of the slurry is from 0 to 10%, the pump power-flow curve is mild. All parts of the pump meet the requirements for strength and rigidity, which verifies the validity of the design method of multistage pump.

deep sea mining; lifting technology; lifting motor pump; slurry pump

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.012

TH313

A

1672?7207(2018)05?1110?08

2017?06?10；

2017?08?08

國家高新技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA091201)；深圳市科技計劃項目(JCYJ20150929102555935)；國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0304103)；深圳市重大項目扶持計劃(HYZDFC20140801010002) (Project(2012AA091201) supported by the National High Technology Research and Development Program (‘863’ Program) of China; Project(JCYJ20150929102555935) supported by the Science and Technology Plan of Shenzhen; Project(2016YFC0304103) supported by the National Key Research; Project(HYZDFC20140801010002) supported by the Major Project Support Plan of Shenzhen)

楊恒玲，博士研究生，從事深海作業(yè)裝備設計與控制研究；E-mail: 65065325@qq.com