泥漿泵實船特性測定

饒洪華

（大連中遠海運重工有限公司，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具和水力吸泥裝置的大型自航、裝倉式挖泥船，具有良好的航行性能，不需要定位裝置，可以實現自航、自載和自卸。耙吸式挖泥船適用于無掩護、狹長的沿海進港航道的開挖和維護，開挖淤泥時效率最高。作為挖泥船作業的關鍵設備，泥漿泵的性能參數非常重要。為了能夠在實船上精確地測定泥漿泵的性能參數，本文以18 000 m耙吸式挖泥船項目為例，結合船上泥漿泵和挖泥管的實際布置情況，測量各個工況下泥漿泵的特性。

1 項目概況

本例中18 000 m耙吸式挖泥船采用的是右舷單耙設計，最大挖泥深度為86 m，配備有2臺7 200 kW的變頻電機，最大航速可達15.5 kn。該挖泥船配備有2臺7 500 kW變頻電機，分別驅動2臺外輸泥漿泵。泥漿泵可以根據揚程的需要串聯運行，排出壓力最高可達到32 MPa。該挖泥船配備有艏噴射炮和艏吹裝置，泥漿既可通過艏噴射炮噴出（射程可達80～150 m），也可通過艏吹裝置和漂浮軟管進行長距離外輸。

作為耙吸式挖泥船最核心的系統之一，耙吸系統由3臺泥漿泵、22臺泥閘閥，以及若干單壁管和雙壁管組成。其中：1臺泥漿泵安裝在耙管上，用于將泥漿從海底吸到泥艙內；另外2臺泵為泥漿外輸泵，布置在泵艙，可根據工況要求進行單獨或串聯工作。根據管路布置區域和功能的不同，整個系統可分為耙管系統、注入管線、自卸管線、泵艙管線和排出管線等5部分。本文主要對右舷泥漿排出泵的性能參數進行測量。

2 測量原理

本項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速下泵的揚程、軸功率和效率與泵的流量之間的關系曲線，反映流體在泵內的流動規律。由于泵內流動情況復雜，不能用理論分析的方法進行推導，僅能依靠試驗測定。在恒定的轉速下，通過改變排出閥開度的大小，測量不同的工況時泵的各項特性數據，根據測量結果繪制泵的實測特性曲線。

2.1 泥漿泵的揚程

離心泵的揚程又稱為泵的壓頭，是指單位重量流體經泵所獲得的能量。泵的揚程大小取決于泵的結構，如葉輪直徑的大小、葉片的彎曲和轉速情況等。一般情況下，泵的銘牌上標注的揚程是額定揚程，即泵在設計工況下的揚程。泵在實際工作時的揚程不一定等于額定揚程。泥漿泵工作揚程的計算公式為

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

由于和非常接近，式（1）等號右側第3項可忽略不計，泥漿泵工作揚程的計算公式又可表示為

2.2 泥漿泵的流量

流量是指泥漿泵在單位時間內排送的液體體積，流量是泥漿泵的重要參數之一。考慮到挖泥管路的口徑（1 000 mm）較大，試驗采用孔板流量計對泥漿泵的流量進行測量。孔板流量計具有結構簡單、牢固、性能穩定可靠且價格低廉的特點。孔板流量計測量方法基于能量守衡定律和流動連續性定律。孔板流量計使流速增加，靜壓力減小，于是在節流件前后便產生了壓力降。介質流動的流量越大，在節流件前后產生的壓差就越大，所以孔板流量計可通過測量壓差來衡量流體流量的大小。泥漿泵流量的計算公式為

式中：為泥漿泵的流量；為流出系數；為膨脹系數；為節流件的開孔面積；Δ為孔板流量計輸出的壓差；為孔板開孔直徑與管道內徑的比值。

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，指單位時間內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。泵軸功率為原動機供給泵軸的功率，即泵的輸入功率，計算公式為

式中：為泵軸功率；為泵軸扭矩；為泵軸轉速。

泥漿泵效率的計算公式為

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取決于泵進口部分的幾何形狀以及泵的轉速和流量，反映了液體進泵后壓力進一步降低的程度，而與泵的吸入條件以及所吸液體的飽和蒸汽壓無關。NPSHr越小，表示泵的汽蝕性能越好。

3 測量參數

根據泥漿泵特性曲線的測量需求，所需測量的數據為：1）為孔板流量計輸出的壓差Δ；2）泵進口截面的流體壓力；3）泵出口截面的流體壓力；4）泵軸扭矩；5）泵軸轉速；6）泥漿泵的必需汽蝕余量NPSHr。

根據測得的數據，需計算的參數為：1）泥漿泵的流量；2）泵軸功率；3）泥漿泵的效率；4）泥漿泵的揚程。

根據測量和計算的結果，最終需要整理出以下曲線：1）-曲線；2）-曲線；3）-NPSHr曲線。

4 測量方法

4.1 泥漿泵的揚程

通過安裝在測量法蘭上的真空表測量泵進口截面的流體壓力，通過安裝在測量法蘭上的壓力表測量泵出口截面的流體壓力，根據式（1）計算泥漿泵的揚程。真空表和壓力表在船上具體的安裝位置見圖1。

圖1 真空表和壓力表安裝位置示意

4.2 泥漿泵的流量

試驗采用孔板流量計對泥漿泵的流量進行測量，這種測量方法要求節流孔板上游和下游的管路是直的，以得到準確的測量結果。根據相關要求，孔板上游的直線長度為管道內徑的40倍，下游的直線長度為管道內徑的10倍，孔板開孔直徑與管道內徑的比值=0.75。本次試驗節流孔板的安裝位置見圖 2。泥漿泵通過安裝在泥漿外輸管末端的臨時閥來進行流量調節。臨時閥的安裝位置見圖3。

圖2 節流孔板安裝位置示意

圖3 臨時閥安裝位置示意

4.3 泵軸轉速

本次試驗采用閃頻測速計對泵軸轉速進行精確測量。

4.4 泵軸扭矩

本次試驗采用安裝在泵軸上的扭矩測量儀對泵軸轉速進行精確測量。扭矩測量儀的安裝位置見圖4。

圖4 扭矩測量儀安裝位置示意

4.5 泥漿泵的必需汽蝕余量

本次試驗采用原型泵汽蝕試驗的方法來確定NPSHr。

5 結論

本文基于18 000 m耙吸式挖泥船項目，在離心泵特性理論的基礎上，測量各個工況下泥漿泵的特性。所測得的曲線與理論曲線相匹配，可為泥漿泵的設計提供理論依據。