大型船用清淤裝置關鍵部件設計與性能分析

馬盼盼， 戴之祥， 王 飛， 劉和明

(1.安徽職業技術學院，安徽 合肥 230011；2.明光市留香泵業有限公司，安徽 明光 239400)

離心泵被廣泛應用于江河湖海的清淤疏浚作業，但由于工作環境的惡劣，造成核心部件極易因磨損而降低使用壽命，因此需要對復雜工作環境下泵關鍵部件進行深入研究設計。文獻[1]通過實驗與數值模擬的方式分析了空化對超低比轉數離心泵壓力脈動的影響；文獻[2]分析了葉片以及葉輪對離心泵振動噪聲方面的影響；研究成果主要集中于離心泵有關性能分析方面，而對適用于船用清淤設備的設計以及離心泵流固兩相流分析等方面尚未進行深入研究。

本文以大型船用離心泵為研究對象，對關鍵部件進行理論設計，基于此展開內部流場分析及性能試驗。

1 清淤裝置關鍵部件設計

葉輪與蝸殼是離心泵這種船用清淤裝置的關鍵部件，其結構會直接影響離心泵的工作效率和使用壽命。

1.1 葉輪設計

本次所設計的離心泵葉輪如圖1所示。

圖1 葉輪結構示意圖

葉輪主要結構參數有葉輪出口寬度和出口直徑、渦室入口寬度和基圓直徑等，計算如下：

渦室入口寬度b3=b2+0.05D2

基圓直徑D3=(1.03～1.08)D2

其中，n為額定轉速；Q為流量；H為揚程。

最終求得葉輪尺寸如表1所列。

表1 離心泵主要尺寸參數

根據所求尺寸，在繪圖軟件中建立葉輪的三維模型，如圖2所示。

圖2 葉輪三維數模

1.2 蝸殼設計

在完成葉輪設計后還需設定隔舌安放角和渦室各斷面面積，以完成整個蝸殼的設計。

1.2.1 隔舌安放角

隔舌位于渦室螺旋始端，具體隔舌安放角φ0可按文獻[6]獲得。

1.2.2 渦室斷面參數計算

為便于設計，在渦室內部取8個斷面[4]，采用速度系數法求解第Ⅷ斷面面積，其余各斷面面積在第Ⅷ斷面的面積的基礎上進行設定。

其中,v3為渦室斷面的平均速度；k3為速度系數。

其余各斷面的面積按渦室各斷面速度相等確定。

根據相關參數幾何關系，便可得出各斷面的尺寸，進而建立蝸殼的三維模型，如圖4所示。

圖4 離心泵蝸殼

2 離心泵流固耦合分析

2.1 流體模型建立

為進一步驗證設計的合理性，針對離心泵進行整體的流體仿真[5]。由于所設計的離心泵整機結構比較復雜，所以在建立模型上對其進行適當的簡化，并將簡化后模型導入到軟件中。設定砂石密度為1500kg/ ，熱導系數0.78W/m·K，比熱容為1050J/kg·K。流體域網格劃分結果如圖5所示。

圖5 流體域網格

2.2 邊界條件設置

外層壁面的邊界條件設置為無滑移；關于壓力與速度的耦合，采用求解器中的SIMPLE算法；對流區域選擇一階迎風作為離散方式；各個控制方程RMS收斂依據是1e-5。選用MSAM模型為控制方程；計算精度設置為Double，時間步長為2×10-4s。

2.3 流固耦合分析結果

根據砂石的參數，設置仿真時長為1s，獲取該時間段內砂石在離心泵殼體內的渦流、體積變化情況，流體仿真結果如下圖6所示。

圖6 流體仿真結果

由以上仿真，可得出離心泵在工作過程中其內部流場變化有以下規律：隨著時間的增加，葉輪不斷攪動泵腔體內的液體，靠近殼體底部位置壓力較其他部位更大；葉輪周圍的渦流也隨仿真時間的增加而明顯增大。

仿真結果表明，離心泵殼體底部和葉輪周圍是流體壓力和速度變化較大的位置，因此在后續性能測試中需注意其變化，以保證測試工作能穩定進行，從而獲得準確的測試結果。

3 吸砂設備性能試驗

3.1 測試系統搭建

為驗證清淤關鍵設備的性能指標，結合GB/T3216-2016中的試驗方法，搭建離心泵性能測試系統。

整個系統由渦輪流量傳感器、帶電繞組溫升測試儀、單/三相電參數測量儀、流量轉速測試儀、壓力揚程測試儀及壓力變送器、壓力表等組成。

3.2 性能試驗

所有測量均在穩定條件下運行，且所有性能測試試驗至少取5個試驗點。試驗時允許轉速在規定轉速的50%～120%范圍內變動。

按規定要求進行多次性能測試試驗，對試驗數據進行平均值求解，結果見表2。

表2 離心泵性能測試結果

測試結果說明本次所設計的離心泵各指標均符合國標要求，整體性能比較優異。

4 結 論

根據船用清淤設備特點及設計要求，設計了一套大型船用離心泵。基于設計結果進行仿真分析與性能測試，得出結論如下：

(1)在工作狀態時離心泵殼體底部位置壓力較大，且隨著工作時間的增加，葉輪周圍速度和渦流逐漸增大；

(2)基于仿真結果對離心泵進行性能測試，離心泵的流量、揚程、溫度等各項指標均符合國家標準規定，驗證了離心泵設計的合理性。