泥沙濃度對旋流泵性能影響的試驗研究

鐘衛華，李洪彬，王 勇，蔣 爽，王 珺，倪福生*

(1.江蘇省水利機械制造有限公司，揚州 225001；2.河海大學 疏浚技術教育部工程研究中心，常州 213022)

隨著新時代中國經濟轉型升級和實現可持續發展的要求，以及環保意識的與日俱增，環境整治方面的需求日趨旺盛，其中水環境整治是其重要組成部分[1-2]。水力式清淤船是大面積高效清淤的常用設備[3-4]，采用泥泵輸送可確保清淤輸送的連續性。但城鄉河網內常有衣物、水草、建筑垃圾等多種雜物，極易造成泥泵堵塞，頻繁檢修將大大降低施工效率并延長施工工期。

旋流泵的葉輪置于泵殼后腔，物料與葉片接觸較少，通流面積更大，可以有效解決清淤輸送時的堵塞問題。因其簡單的造型和特殊的性能優勢，旋流泵已成為城鄉河網清淤機械使用的主要泵型，并逐漸得到越來越廣泛的應用[5]。但是旋流泵的高通過性是以犧牲泥泵效率為代價的，其最高效率一般不超過60%[6]，遠遠低于其他類型葉片泵。為提高旋流泵的效率，眾多學者開展了諸多試驗研究和數值模擬研究。然而，學者們的大多試驗和模擬都是針對清水流場工況。需要注意的是，針對清淤疏浚工程中泥沙濃度對旋流泵性能影響的試驗研究較少。旋流泵的結構與常規泥泵存在顯著差異，泵內兩相流場具有高度復雜性。目前大多從內部流場來分析旋流泵性能[7-14]，泥沙濃度對旋流泵效率的影響尚無統一結論。

為此，本文針對某大流量無堵塞旋流泵開展了一系列研究工作，包括研究在清水工況和不同泥沙濃度工況下的泵性能試驗，獲得了旋流泵的揚程和效率等性能參數，同時得到了各性能參數隨泥沙濃度的變化規律。

1 試驗裝置

本文所使用的試驗臺是河海大學疏浚教育工程中心研制的大流量旋流泵穩定無堵塞試驗裝置，如圖1所示。該裝置主要由旋流泵、輸送管道、加沙漏斗以及各參數測量儀器組成，其中旋流泵為XLB-550泵型。為方便觀察管道內流體流動情況，在旋流泵進口前段位置安置了一截透明有機玻璃管道，通過該段透明管路可以很清晰地觀察清水紊流狀態和輸沙時的泥沙分布情況。本次試驗主要研究清水流場中旋流泵的揚程、軸功率和效率等性能參數隨流量的變化情況，以及輸送泥沙時泵性能參數在不同泥沙濃度下的變化。為得到旋流泵揚程，根據伯努利方程，需測得泵進出口截面的壓力，本試驗裝置中采用壓力傳感器，量程0～5 MPa。管道流速用于計算有效功率，采用電磁流量計測量豎直管道上內部流體的垂直流速，由此可推算出旋流泵的進口流量。另外，為計算旋流泵的軸功率，還需測得電機扭矩，本文裝置中采用扭矩儀獲得該數值。

旋流泵作為本次研究的主要試驗對象，其結構如圖2所示。設計工況下的主要性能參數如下：流量550 m3/h，揚程29 m，轉速950 r/min。其關鍵部件包括葉輪、葉片、無葉腔和泵進出口管道，其中葉輪外徑為480 mm，葉片為后彎曲葉片，葉片寬度為90 mm，葉片包角為60°，無葉腔寬度為160 mm，進口直徑為252 mm，出口直徑為202 mm。

圖2 旋流泵結構Fig.2 Structure of vortex pump

2 實驗過程

本次試驗共有兩組，分別為輸送清水試驗和輸送泥沙試驗。考慮到實際使用時該旋流泵主要運行在約500 r/min，故試驗時均采用該轉速。首先進行了一組清水流場性能試驗，管道內流速大小通過電動閘閥來控制。為了檢驗測量的準確性和重復性，改變輸送流量由小到大再由大到小進行了多次反復實驗。在清水性能試驗的基礎上，繼續做水沙兩相流性能試驗，轉速同樣穩定在500 r/min。本次試驗選用中值粒徑1 mm、沙粒密度2 540 kg/m3的長江口泥沙。清淤工程中，為保證施工效率，需采取較高的泥沙濃度[15]，本文試驗依據實際施工的正常工況，設計的泥沙濃度Cv分別為6.5%、13%、19.5%，對應的水沙混合物密度依次為1 100 kg/m3，1 200 kg/m3，1 300 kg/m3。根據所需泥沙濃度和輸送管道體積可計算出需加入的泥沙量，但由于測量誤差以及搬運過程中發生散落，實際試驗的泥沙濃度與設計值會存在差別。實驗時采用密度計來精確監測實際管道內的水沙混合物密度，并依據式(1)計算泥沙濃度。此外，旋流泵揚程H、軸功率P和效率η的具體計算公式依次見式(2)～(5)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：下標w、s、m分別代表清水、泥沙和混合物；Hw為輸送清水時揚程，m(水柱)；Hm為輸送泥沙時揚程，m(泥漿柱)；ρ為輸送流體密度，清水密度取ρw=1 000 kg/m3，沙粒密度依據測量為ρs=2 540 kg/m3，水沙混合物密度則采用密度計的實際測量值；p1、p2分別為泵進口和出口處流體壓力，Pa；g為重力加速度，取9.81 m/s2；Δh為水泵的入口與出口之間的高度差，單位與揚程相同；Q為管道流量，m3/s；M為作用在葉輪上的力矩，N·m；n為泵轉速，r/min。

3 結果分析與討論

為了與輸沙性能進行比較，提取了旋流泵輸送清水的性能曲線。重復性試驗的數據顯示，其性能曲線基本重合。鑒于現有旋流泵清水輸送性能研究較多，其規律基本明確，本文僅選取了一組數據進行說明，如圖3中的清水曲線所示。可以看到，清水流場環境中旋流泵所得性能曲線發展趨勢與傳統泥泵基本一致，揚程隨流量增大而減小，軸功率逐漸增大。效率隨流量先逐漸增大，當流量增大到某一值時效率最高，之后隨流量增大而減小。

為分析泥沙濃度對旋流泵性能的影響，將500 r/min下，不同泥沙濃度的旋流泵性能曲線與相應的清水工況時旋流泵性能曲線進行比較，如圖3所示。可以看到，在各泥沙濃度下，泵的揚程、軸功率和效率隨流量的變化趨勢與清水流場基本相似。而隨著泥沙濃度的增加，泵的揚程逐漸下降，軸功率則逐漸升高，效率逐漸降低。其原因主要是，兩相流場受泥沙影響較大，液流裹挾泥沙流動需要消耗能量，泥沙顆粒之間以及其與泵殼、泵葉表面的摩擦亦加大，同時泥沙運動慣性較大，會在兩相流場中產生更多漩渦與二次流動，這都增加了兩相流動的損失與所需動力。在兩相流體中，泥沙濃度越高，水沙兩相相互作用和摩擦所產生的消耗越多，附加損失增加，從而導致旋流泵出現上述性能下降的結果。

圖3 不同泥沙濃度下的旋流泵性能曲線(轉速500 r/min)Fig.3 Performance curve of vortex pump under different sediment concentrations

為進一步定量分析揚程和效率的下降值與泥沙濃度的關系，定義揚程比降Rh和效率比降Rη依次如式(6)和(7)所示。其中，下標w和m分別代表清水和混合物。將揚程比降和效率比降隨泥沙濃度的變化關系繪制在圖4中。

圖4 旋流泵揚程比降與效率比降隨泥沙濃度的變化Fig.4 Variation of vortex pump head gradient and efficiency gradient with sediment concentration

Rh=Hw-Hm

(6)

(7)

為獲得比降與隨泥沙濃度改變的定量關系，對圖4揚程和效率比降曲線分別作了數據擬合處理，所得關系曲線如圖4虛線所示，擬合公式為(8)和(9)。其相關系數分別為0.936與0.989 1，可見公式具有較高的擬合度。同時可以看出，在本文泥沙濃度范圍內，揚程和效率比降與泥沙濃度之間基本呈線性正相關，即泥沙濃度越高，旋流泵揚程和效率損失越嚴重，效率下降越多。因此，當輸送不同濃度的水沙兩相流體時，就可據此推斷出旋流泵相應的揚程和效率，從而便于調整泵的工作狀態以滿足輸送需求。

Rh=0.699 3Cv+2.023 5 (6.5%≤Cv≤19.5%)

(8)

Rη=0.653 8Cv-0.051 7 (6.5%≤Cv≤19.5%)

(9)

4 結論

通過改變泥沙濃度，對旋流泵性能進行了試驗。結果顯示，泥沙對旋流泵性能存在顯著影響；隨著泥沙濃度的增加，旋流泵揚程和效率比降均呈現線性增加趨勢；在本文泥沙濃度范圍內，揚程比降和效率比降遵循式(8)、(9)所示規律。這為旋流泵的設計提供了一定的依據，為了能使旋流泵獲得高效設計，需要考慮泥沙等介質及固體相濃度對泵性能的影響。