800WN泥泵增加前封水裝置設計與改造

蔣嘉偉，王鵬

（中交海洋建設開發有限公司，天津 300457）

1 泥泵參數、磨損原因分析

目前疏浚市場常用800WN系列泥漿泵，該泵的性能參數：n=340r/min；H=58M；Q=11000M3/H；（清水流量）。通常，一個泥泵葉輪在其使用壽命內需要配置2個肩甲環、4個前護板、3~4個進口襯套、1個后護板。從更換的比率來看，易損壞的是前護板、肩甲環、進口襯管，根據實物磨損的情況及泥泵的結構原理，現對其磨損的機理分析如下。

在800WN泥泵上，葉輪的主工作葉瓣數量為3瓣，泥泵只有后封水而沒有設置前封水，而在泥泵吸入口端的葉墻上設有9個徑向附葉瓣，此9個附葉瓣的作用就是與肩甲環構成半開式葉輪離心泵，其產生的壓力用以平衡泥泵蝸殼流道內的壓力，可以認為在穩定工況下，由9瓣附葉瓣與肩甲環構成的半開式葉輪離心泵所產生的壓頭可以平衡3瓣主葉輪在蝸殼主流道內的生成的壓頭，使附葉瓣與肩甲環之間的流體無徑向流動。一般來說，泥泵在進入疏浚時的過程為：掛離合→泵注清水→疏浚泥沙→注清水→列解泵。如果這個過程過渡平穩而且泥泵在正常疏浚時工況穩定，則可以認為附葉瓣產生的壓力與主葉瓣產生的壓力始終平衡，葉輪與肩甲環之間總是保持清水的環境。但實際工作時，由于絞刀吸口經常堵塞，引起泥泵的蝸殼內壓力波動、附葉瓣的磨損引起泵效降低，都將破壞這種壓力平衡，使蝸殼流道中含泥沙的流體灌入附葉瓣、肩甲環以及葉輪、前護板（進口襯套）之間，由于葉輪與前護板（進口襯套）之間的安裝間隙只有1.5~3mm，所以直徑較大的沙粒將在這里堆積，形成較嚴重的磨粒磨損。

2 相關的水力計算

為獲得相關的水利計算，下列離心泵理論計算時的各種假設仍需沿用：①離心泵的葉輪是無限多和無限薄，流體質點流動是沿葉瓣的。②流體流動無撞擊、摩擦、渦流等水利損失。③半開式葉輪與閉式葉輪泵水采用相同的理論計算方式。泥泵組裝圖見圖1。

圖1

根據泥泵的裝配圖，在泥泵封閉時，沿A→B→C→A線可建立如下伯努利方程：

式中：P吸：為泥泵吸口壓力。Z1=Z2為始、未點高度；

H主葉輪（實際）：為泥泵傳給泥漿的實際能量；

ρ：流體的密度。g：重力加速度；

ζ1：為葉輪外緣阻水環帶與肩甲環之間的狹縫局部阻力壓頭損失；

H附葉輪（實際）：為附葉輪付給流體的實際能量；

ζ2：泥泵前護板與葉輪間的狹縫局部阻力壓頭損失；

U2：是流體流出泥泵葉輪與前護板間狹縫時的速度；

對于式（2）在此我們可以認為：由于主葉輪的流道（寬350mm）與泥泵葉輪與前護板間狹縫（寬1.5~3mm）來說足夠寬，因而U1≈0。即得到H主葉輪（實際）-H附葉輪（實際）=

對式（3）的解釋為：在沿A→B→C→A線時，主葉輪與附葉輪所產生的壓頭差，用以抵消兩處局部阻力損失ζ1、ζ2和產生泥泵葉輪與前護板間狹縫流體的動能。引用離心泵壓頭計算理論，其理論壓頭為：

式中：U2是流體流出泥泵主葉輪時的圓周速度。

U2=3.14 nD2/60=3.14×340×1.94/60=34.52m/s。

C2r是流體流出葉輪的徑向流速，可根據泥泵的理論排量算出，

β2是流體流出泥泵主葉輪時C2于w2和的夾角。（通過對泥泵葉輪放樣測得β2=1590）。

將U2、C2r、β2值代入式（4）得主葉輪理論揚程為：H理論=109.85m。

在實際揚程計算時還要考慮渦旋系數K2CU和水力效率ηh。

ηh=0.7~0.9（此處取0.9），K2CU可由普菲立節爾公式計算：

式（6）中各符號意義：Z=3為葉瓣數量；ψ實驗系數，D1、D2是葉輪葉瓣和內、外徑；實驗系數ψ取值范圍為0.8~1，或由式ψ=（0.55~0.65）+0.6sin(1800-β2)=0.65+0.215=0.865。 代 入 式（6）計算值得K2CU=0.58，代入式（5）得H實際=109.85×0.9×0.58=57.1m。

由計算結果可以看出，泥泵揚程序與產品標稱性能接近。

故因附葉輪與肩甲環之間的安裝間隙是1.5~3mm，可導致泵效下降，即ηh=0.7~0.9（此處取低值ηh=0.7），渦旋系數K2CU用式（6）計算后結果為K2CU=0.76。

H附 葉 輪（ 實 際 ）=H理 論，K2CUηh=101.18×0.76×0.7=53.8m，因此，H主葉輪（實際）-H附葉輪（實際）=3.3m。在此再引入式（3）H主葉輪（實際）-H附葉輪（實際）如果忽略掉ζ1（ζ1=0，這樣可導致計算的封水量增加，有利于更可靠封水）則式，（3）可寫為H主葉輪（實際）-H附葉輪（實際）

在式（3-1）中，我們需解方程求出流出葉輪與前護板之間狹縫流體的流出速度U2后，才能測算出可靠封水的流量。但這里有一個隱函數ζ2，是一個與流速、流量有關的隱函數，因此對該方程不易求解。為使問題得到簡化，我們引入兩平行板之間差壓流體流動的相關理論對平行板間流量進行測算。

式中：a為平行板的長度；b為平行板間距；μ是流體的動力粘度；l是平行板寬度。

取兩個環狀截面①面和②面為研究對象（見總裝圖），葉輪與前護板的狹縫可近似等效成兩平行板，平行板的長度為a=πD2=3.14×1.08=3.39m；平行板間距b=1.5~3mm(此處取b=0.003m,為最大安裝間隙)；平行板寬(式中D1=870mm，D2=1080mm是兩環狀面的直徑)==0.105m。水在15℃時的動力粘度μ=1.140N.s/m2。

平行板兩端的壓差Δp=H主葉輪（實際）-H附葉輪（實際）=3.3米（水頭）=32340Pa代入（式8）中得：Q=0.002m3/s≈7.5m3/h。

以上是通過對主、附葉輪產生的水力壓差而造成葉輪于前護板間隙處的泄漏量，為確保可靠封水，將注入的封水壓力與泵吸口壓力之間的壓差保持在0.1MPa，此時的葉輪于前護板間隙處的泄漏量通過（式8）計算為Q≈23m3/h，因此，選用的封水泵的排量可在25~30m3/h即可，封水泵的壓頭應視不同泥泵吸口的壓力而選擇。3500絞吸船通常為三臺泵串聯，水下泵的P吸口（相對壓力）為-0.06~-0.04MPa，故封水泵可選用Q=25m3/h，H=5~10m的封水泵；艙內1#泵P吸口=0.18~0.3MPa，封水泵可選用Q=25m3/h，H=35~40m，艙內2#泵P吸口=0.6~0.8MPa，封水泵可選用Q=25m3/h，H=85~95m。

3 泥泵局部改造

（1）改造葉輪。在附葉輪的外緣增設封水保壓環帶，設置此環帶有兩個作用。其一，此環帶與肩甲環之間的間隙為1.5~3mm，可有效防止大顆粒磨料或養殖廢棄物塞入葉輪與肩甲環之間。其二，可保證前端封水有效性。（2）改造前護板。在前護板的凹腔處設置通水孔（3~6個），以將封水引到前護板與葉輪之間。（3）在小泵蓋上鉆孔（3~6個），將封水引入前護板凹腔，根據800WN泥泵圖紙分析，上述三點容易做到。