饒洪華

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

耙吸式挖泥船是一種裝備有耙頭挖掘機(jī)具和水力吸泥裝置的大型自航、裝倉(cāng)式挖泥船，具有良好的航行性能，不需要定位裝置，可以實(shí)現(xiàn)自航、自載和自卸。耙吸式挖泥船適用于無(wú)掩護(hù)、狹長(zhǎng)的沿海進(jìn)港航道的開(kāi)挖和維護(hù)，開(kāi)挖淤泥時(shí)效率最高。作為挖泥船作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，泥漿泵的性能參數(shù)非常重要。為了能夠在實(shí)船上精確地測(cè)定泥漿泵的性能參數(shù)，本文以18 000 m耙吸式挖泥船項(xiàng)目為例，結(jié)合船上泥漿泵和挖泥管的實(shí)際布置情況，測(cè)量各個(gè)工況下泥漿泵的特性。

1 項(xiàng)目概況

本例中18 000 m耙吸式挖泥船采用的是右舷單耙設(shè)計(jì)，最大挖泥深度為86 m，配備有2臺(tái)7 200 kW的變頻電機(jī)，最大航速可達(dá)15.5 kn。該挖泥船配備有2臺(tái)7 500 kW變頻電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)2臺(tái)外輸泥漿泵。泥漿泵可以根據(jù)揚(yáng)程的需要串聯(lián)運(yùn)行，排出壓力最高可達(dá)到32 MPa。該挖泥船配備有艏噴射炮和艏吹裝置，泥漿既可通過(guò)艏噴射炮噴出（射程可達(dá)80～150 m），也可通過(guò)艏吹裝置和漂浮軟管進(jìn)行長(zhǎng)距離外輸。

作為耙吸式挖泥船最核心的系統(tǒng)之一，耙吸系統(tǒng)由3臺(tái)泥漿泵、22臺(tái)泥閘閥，以及若干單壁管和雙壁管組成。其中：1臺(tái)泥漿泵安裝在耙管上，用于將泥漿從海底吸到泥艙內(nèi)；另外2臺(tái)泵為泥漿外輸泵，布置在泵艙，可根據(jù)工況要求進(jìn)行單獨(dú)或串聯(lián)工作。根據(jù)管路布置區(qū)域和功能的不同，整個(gè)系統(tǒng)可分為耙管系統(tǒng)、注入管線、自卸管線、泵艙管線和排出管線等5部分。本文主要對(duì)右舷泥漿排出泵的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

2 測(cè)量原理

本項(xiàng)目的泥漿泵為離心式雙層壁疏浚泵，屬于離心泵的一種。離心泵的特性曲線是指在特定轉(zhuǎn)速下泵的揚(yáng)程、軸功率和效率與泵的流量之間的關(guān)系曲線，反映流體在泵內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律。由于泵內(nèi)流動(dòng)情況復(fù)雜，不能用理論分析的方法進(jìn)行推導(dǎo)，僅能依靠試驗(yàn)測(cè)定。在恒定的轉(zhuǎn)速下，通過(guò)改變排出閥開(kāi)度的大小，測(cè)量不同的工況時(shí)泵的各項(xiàng)特性數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制泵的實(shí)測(cè)特性曲線。

2.1 泥漿泵的揚(yáng)程

離心泵的揚(yáng)程又稱為泵的壓頭，是指單位重量流體經(jīng)泵所獲得的能量。泵的揚(yáng)程大小取決于泵的結(jié)構(gòu)，如葉輪直徑的大小、葉片的彎曲和轉(zhuǎn)速情況等。一般情況下，泵的銘牌上標(biāo)注的揚(yáng)程是額定揚(yáng)程，即泵在設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程。泵在實(shí)際工作時(shí)的揚(yáng)程不一定等于額定揚(yáng)程。泥漿泵工作揚(yáng)程的計(jì)算公式為

式中：為泥漿泵的揚(yáng)程；為流體的密度；為重力加速度；為泵進(jìn)口截面的流體壓力；為泵出口截面的流體壓力；為泵進(jìn)口截面的流速；為泵出口截面的流速；為泵進(jìn)口截面中心的高度；為泵出口截面中心的高度。

由于和非常接近，式（1）等號(hào)右側(cè)第3項(xiàng)可忽略不計(jì)，泥漿泵工作揚(yáng)程的計(jì)算公式又可表示為

2.2 泥漿泵的流量

流量是指泥漿泵在單位時(shí)間內(nèi)排送的液體體積，流量是泥漿泵的重要參數(shù)之一。考慮到挖泥管路的口徑（1 000 mm）較大，試驗(yàn)采用孔板流量計(jì)對(duì)泥漿泵的流量進(jìn)行測(cè)量?？装辶髁坑?jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、性能穩(wěn)定可靠且價(jià)格低廉的特點(diǎn)。孔板流量計(jì)測(cè)量方法基于能量守衡定律和流動(dòng)連續(xù)性定律?？装辶髁坑?jì)使流速增加，靜壓力減小，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓力降。介質(zhì)流動(dòng)的流量越大，在節(jié)流件前后產(chǎn)生的壓差就越大，所以孔板流量計(jì)可通過(guò)測(cè)量壓差來(lái)衡量流體流量的大小。泥漿泵流量的計(jì)算公式為

式中：為泥漿泵的流量；為流出系數(shù)；為膨脹系數(shù)；為節(jié)流件的開(kāi)孔面積；Δ為孔板流量計(jì)輸出的壓差；為孔板開(kāi)孔直徑與管道內(nèi)徑的比值。

2.3 泥漿泵的輸出功率

泥漿泵的輸出功率又稱有效功率或液體功率，指單位時(shí)間內(nèi)泵輸送出去的液體從泵中獲得的有效能量。泥漿泵輸出功率的計(jì)算公式為

式中：為泥漿泵的輸出功率。

2.4 泥漿泵的效率

泥漿泵的效率為泵的輸出功率與泵軸功率之比。泵軸功率為原動(dòng)機(jī)供給泵軸的功率，即泵的輸入功率，計(jì)算公式為

式中：為泵軸功率；為泵軸扭矩；為泵軸轉(zhuǎn)速。

泥漿泵效率的計(jì)算公式為

式中：為泥漿泵的效率。

2.5 泥漿泵的必需汽蝕余量

泥漿泵的必需汽蝕余量（Net Positive Suction Head Required，NPSHr）是指泵為了避免汽蝕所必需的汽蝕余量。NPSHr取決于泵進(jìn)口部分的幾何形狀以及泵的轉(zhuǎn)速和流量，反映了液體進(jìn)泵后壓力進(jìn)一步降低的程度，而與泵的吸入條件以及所吸液體的飽和蒸汽壓無(wú)關(guān)。NPSHr越小，表示泵的汽蝕性能越好。

3 測(cè)量參數(shù)

根據(jù)泥漿泵特性曲線的測(cè)量需求，所需測(cè)量的數(shù)據(jù)為：1）為孔板流量計(jì)輸出的壓差Δ；2）泵進(jìn)口截面的流體壓力；3）泵出口截面的流體壓力；4）泵軸扭矩；5）泵軸轉(zhuǎn)速；6）泥漿泵的必需汽蝕余量NPSHr。

根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，需計(jì)算的參數(shù)為：1）泥漿泵的流量；2）泵軸功率；3）泥漿泵的效率；4）泥漿泵的揚(yáng)程。

根據(jù)測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果，最終需要整理出以下曲線：1）-曲線；2）-曲線；3）-NPSHr曲線。

4 測(cè)量方法

4.1 泥漿泵的揚(yáng)程

通過(guò)安裝在測(cè)量法蘭上的真空表測(cè)量泵進(jìn)口截面的流體壓力，通過(guò)安裝在測(cè)量法蘭上的壓力表測(cè)量泵出口截面的流體壓力，根據(jù)式（1）計(jì)算泥漿泵的揚(yáng)程。真空表和壓力表在船上具體的安裝位置見(jiàn)圖1。

圖1 真空表和壓力表安裝位置示意

4.2 泥漿泵的流量

試驗(yàn)采用孔板流量計(jì)對(duì)泥漿泵的流量進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量方法要求節(jié)流孔板上游和下游的管路是直的，以得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。根據(jù)相關(guān)要求，孔板上游的直線長(zhǎng)度為管道內(nèi)徑的40倍，下游的直線長(zhǎng)度為管道內(nèi)徑的10倍，孔板開(kāi)孔直徑與管道內(nèi)徑的比值=0.75。本次試驗(yàn)節(jié)流孔板的安裝位置見(jiàn)圖 2。泥漿泵通過(guò)安裝在泥漿外輸管末端的臨時(shí)閥來(lái)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。臨時(shí)閥的安裝位置見(jiàn)圖3。

圖2 節(jié)流孔板安裝位置示意

圖3 臨時(shí)閥安裝位置示意

4.3 泵軸轉(zhuǎn)速

本次試驗(yàn)采用閃頻測(cè)速計(jì)對(duì)泵軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確測(cè)量。

4.4 泵軸扭矩

本次試驗(yàn)采用安裝在泵軸上的扭矩測(cè)量?jī)x對(duì)泵軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確測(cè)量。扭矩測(cè)量?jī)x的安裝位置見(jiàn)圖4。

圖4 扭矩測(cè)量?jī)x安裝位置示意

4.5 泥漿泵的必需汽蝕余量

本次試驗(yàn)采用原型泵汽蝕試驗(yàn)的方法來(lái)確定NPSHr。

5 結(jié)論

本文基于18 000 m耙吸式挖泥船項(xiàng)目，在離心泵特性理論的基礎(chǔ)上，測(cè)量各個(gè)工況下泥漿泵的特性。所測(cè)得的曲線與理論曲線相匹配，可為泥漿泵的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。