泥浆质量浓度对挖泥船泥泵工况的影响

陈志坚，朱汉华，范世东，熊　庭

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)



泥浆质量浓度对挖泥船泥泵工况的影响

陈志坚，朱汉华，范世东，熊庭

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

针对疏浚作业中由于泥泵剧烈振动引起蜗壳变形和噪声的问题，以某型绞吸挖泥船上的泥泵为研究对象，利用Pro/E软件建立泥泵的三维模型，采用有限元法进行仿真分析，结果表明，泥泵的最大应力位于靠近隔舌的叶轮出口壁面处，泥泵振动与泥浆质量浓度有关，振幅变化与振动阶次有关。

绞吸挖泥船；泥浆质量浓度；泥泵应力；泥泵振动

绞吸挖泥船在航道疏浚、围海吹填等建设中发挥着重要作用。泥泵作为绞吸挖泥船的核心部件，其高效、稳定运行直接影响到整船的工作效率和疏浚成本，但在泵送泥浆的过程中，泵体经常出现变形和剧烈振动的情况，由此可能导致与泥泵相连的管道或阀件发生松动或损坏，这对挖泥船工作的可靠性产生了严重影响[1-2]。针对泥泵运行中出现的问题，以往的研究多集中于内部流动特性和系统的振动特性[3-8]。然而在挖泥船疏浚施工时，由于疏浚环境复杂且工况参数多变，泥浆质量浓度经常发生较大范围的变化，因此，泥浆质量浓度对泥泵工况影响的研究是亟待解决的。为此，采用流-固耦合的有限元法对泥浆质量浓度变化时泥泵的应力和振动进行仿真分析。

1　泥泵仿真模拟

1.1泥泵模型的基本参数

以长江航道局的某型非自航绞吸式挖泥船为实例进行建模，该船为主力疏浚船型，适于淤泥、粉土和砂质土等工作土质的疏浚，其主泥泵的主要技术参数见表1。

复杂的疏浚环境和多变的工况参数导致了泥泵内部的泥浆流动非常复杂，三维模型的建立、划分的网格类型及数目、湍流模型的选择、多相流模型的选择和边界条件的设定都将对仿真结果产生很大的影响。因此，需要根据以上因素来确定正确的数值模拟方案。

表1　泥泵主要技术参数表

1.2泥泵三维模型建立和有限元网格划分

泥泵流体域包括进口段、出口段及泵腔，根据表1中参数使用Pro/E建立泥泵的三维模型，运用ICEM对泥泵进行网格划分，网格划分情况如图1所示。以不同网格数下进出口的压降作为依据，验证网格无关性，最终修正后的网格节点数为185 650个，然后将已划分的网格文件导入到CFX软件中进行数值模拟。

图1　模型网格划分

1.3数值模型的选取

在实际疏浚作业时，泵送的泥浆一般处于湍流流态。泥浆流动的基本方程主要基于质量守恒、动量守恒、能量守恒3种方程；另外泥浆由泥沙和水混合而成，因此还要遵守组分守恒定律。用CFX软件进行模拟仿真时，采用SSTk-ω湍流模型进行计算，k-ωSST(shear stress transport)湍流模型是F R Menter在k-ω模型的基础上发展起来的，能够对自由剪切流、高雷诺数时的近壁区流动、有限雷诺数的近壁区流动、包含层流区和转捩的流动等多种状态进行分析和计算。由于泵送的泥浆处于湍流，一般对瞬态N-S方程做时间平均处理，并且补充反映湍流特性的湍动能方程和湍流耗散率方程。

1.4边界条件的设定

假设流体的温度不随时间的变化而变化，且不考虑黏温效应；为了使计算具有很好的收敛性，在泥泵吸泥管口采用速度边界条件，排泥管口采用压力边界条件；在壁面采用对数分布规律的壁面函数[9]；泥浆质量浓度取值为10%、20%、30%、40%、50%；泥泵内流场为湍流。

2　泥泵仿真结果分析

根据建立以上的三维仿真模型，采用流-固耦合的有限元法对泥浆质量浓度对泥泵工况的影响进行仿真分析。

2.1泥浆质量浓度变化对泥泵应力的影响分析

根据以上计算模型并通过CFX流体分析软件来计算泥泵在不同泥浆质量浓度时的应力分布特性，计算结果如图2所示。

图2　泥浆对泥泵的应力特性(应力单位：MPa)

由图2可见，泥泵各部位的应力随着泥浆质量浓度的增大而逐渐增大。原因是泥泵的叶轮对泥浆有增压作用，出口处的最大压力对泥浆的输出提供了足够的动力；泥泵的最大应力位于靠近隔舌的叶轮出口壁面处，其位置不随泥浆质量浓度变化而变化，原因是靠近隔舌的叶轮出口位置与蜗壳之间存在回流，由此引发了漩涡；而最小应力的位置是变化的，随蜗壳内总压的周期性波动而变化。

2.2泥浆质量浓度变化对泥泵振动频率的影响

将受到的应力导入模态分析模块中进行泥泵的振动分析，计算结果见图3、4。因为泥泵的低阶振动对泥泵特性的影响明显，所以本文只给出了低阶振动区，即前6阶振动的频率和最大幅值。

图3　泥浆质量浓度对泥泵振动频率的影响

图4　泥浆质量浓度对泥泵振幅的影响

由图3可见，泥泵振动与泥浆质量浓度相关，振动频率分两次跃升，分别在第2阶和第6阶；，振动频率随着泥浆质量浓度的升高而逐渐增大，相邻两阶振动频率之差相近；在正常工作情况下，泥泵的振动频率大致稳定在10～50 Hz之间。因此，为了减小泥泵振动所造成的潜在危害，要定期对泥泵的固定端及易松动部件进行检查，避免不必要的危险发生[10]。

2.3泥浆质量浓度对泥泵振幅的影响

为了研究泥泵各个固有振动频率与对应振幅的关系，将不同泥浆质量浓度下每个阶次的最大振幅进行对比分析。

由图4可见，振幅变化与振动阶次有关，第1阶振动的振幅变化很小，且于其他阶次的振动振幅相比是最小的，此时泥泵的振动是最稳定的；随着泥浆质量浓度的逐渐增大，其他阶次振动振幅的变化呈现先增大后减小的趋势，这为避免泥泵产生过大的振动提供了理论分析依据。

综合图3、4，泥浆质量浓度在40%左右和振动频率阶次在第5阶的时候，泥泵振动较为严重，因此针对该船泥泵来讲，疏浚施工时应该避开输送40%浓度的泥浆和第5阶的激励振动频率，这样可确保该泥泵的安全稳定运行。

3　结论

1)泥泵应力与泥浆质量浓度成正相关。泥泵各处应力随着泥浆质量浓度的增大而逐渐增大，最大应力的位置出现在靠近隔舌的叶轮出口位置壁面处，其位置不随泥浆质量浓度改变而发生变化；最小应力的位置是变化的，因蜗壳内总压的周期性波动而发生变化。

2)泥泵振动受泥浆质量浓度影响明显。泥泵各阶次的振动频率随着泥浆质量浓度的升高而逐渐增大，相邻阶次振动频率相差较小；低阶振型下泥浆质量浓度变化对泥泵振幅影响较小，而在高阶振型下随泥浆质量浓度的逐渐增大，振幅呈现先增大后减小的趋势。

3)针对该型泥泵，疏浚施工时应该避开输送40%浓度的泥浆和第5阶的激励振动频率，且泵送泥浆质量浓度较高时，应着重对靠近隔舌位置的壁面进行维护，防止此处出现较大的变形或裂纹。

[1] 杨年浩.疏浚泥泵叶轮参数化设计及泥泵性能预测[D].南京：河海大学，2006.

[2] 陈红卫，李彦，俞孟蕻.挖泥船泥泵保护装置的设计与实现[J].船舶工程，2003,25(6):34-36.

[3] 邹华.挖泥船泥泵内部流场数值模拟研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[4] 丁宏达.高浓度浆体粒度对输送用泵性能的影响及其修正[J].水力采煤与管道运输，2000, (2):3-8.

[5] 李玉军，杨建国.泥泵转子轴系统振动特性的分析[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2004,28(2):186-189.

[6] 郭守建.疏浚泥泵外特性及泵壳变形规律的研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[7] 杨秀秀，王红生，吴帅，等.初始固相浓度变化对渣浆泵内部流动及磨损的影响[J].选煤技术，2010(4):7-9.

[8] 何伟强，李昳，张玉良，等.固相体积分数对泵性能影响研究[J].浙江理工大学学报,2010,27(4):575-579.

[9] 姚雪蕾，袁成清，付宜风，等.管道内壁粗糙度对沿程阻力影响的FLUENT数值模拟分析[J].船海工程,2015,44(6):101-106.

[10] 黄义刚，朱荣生，陈松，等. 泵振动的原因及其消除措施[J].排灌机械，2007,27(4):56-59.

On the Influence of Mud Concentration to Pump Concentration of Dredger

CHEN Zhi-jian, ZHU Han-hua, FAN Shi-dong, XIONG Ting

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

For the problem of the pump volute appears deformed and noise problems caused by strong vibration when dredging, taking a mud pump of certain dredger as the research object. The Pro/E software is used to establish the three-dimensional model of mud pump. The finite element method is adopted to analyze the strength and vibration characteristics of the mud pump. The results show that the position of highest stress is located in the wall of near impeller outlet; the vibration of mud pump is related to the mud concentration, and the amplitude changes is connect with the vibration order.

dredger; mud concentration; pump stress; pump vibration

2016-01-21

2016-04-18

国家科学自然基金(51179144)

陈志坚(1990—)，男，硕士生

U674.31

A

1671-7953(2016)04-0170-03

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.040

研究方向:疏浚工程与管道输送技术

E-mail:czjian_whut@163.com