泥沙浓度对旋流泵性能影响的试验研究

钟卫华，李洪彬，王 勇，蒋 爽，王 珺，倪福生*

(1.江苏省水利机械制造有限公司，扬州 225001；2.河海大学 疏浚技术教育部工程研究中心，常州 213022)

随着新时代中国经济转型升级和实现可持续发展的要求，以及环保意识的与日俱增，环境整治方面的需求日趋旺盛，其中水环境整治是其重要组成部分[1-2]。水力式清淤船是大面积高效清淤的常用设备[3-4]，采用泥泵输送可确保清淤输送的连续性。但城乡河网内常有衣物、水草、建筑垃圾等多种杂物，极易造成泥泵堵塞，频繁检修将大大降低施工效率并延长施工工期。

旋流泵的叶轮置于泵壳后腔，物料与叶片接触较少，通流面积更大，可以有效解决清淤输送时的堵塞问题。因其简单的造型和特殊的性能优势，旋流泵已成为城乡河网清淤机械使用的主要泵型，并逐渐得到越来越广泛的应用[5]。但是旋流泵的高通过性是以牺牲泥泵效率为代价的，其最高效率一般不超过60%[6]，远远低于其他类型叶片泵。为提高旋流泵的效率，众多学者开展了诸多试验研究和数值模拟研究。然而，学者们的大多试验和模拟都是针对清水流场工况。需要注意的是，针对清淤疏浚工程中泥沙浓度对旋流泵性能影响的试验研究较少。旋流泵的结构与常规泥泵存在显著差异，泵内两相流场具有高度复杂性。目前大多从内部流场来分析旋流泵性能[7-14]，泥沙浓度对旋流泵效率的影响尚无统一结论。

为此，本文针对某大流量无堵塞旋流泵开展了一系列研究工作，包括研究在清水工况和不同泥沙浓度工况下的泵性能试验，获得了旋流泵的扬程和效率等性能参数，同时得到了各性能参数随泥沙浓度的变化规律。

1 试验装置

本文所使用的试验台是河海大学疏浚教育工程中心研制的大流量旋流泵稳定无堵塞试验装置，如图1所示。该装置主要由旋流泵、输送管道、加沙漏斗以及各参数测量仪器组成，其中旋流泵为XLB-550泵型。为方便观察管道内流体流动情况，在旋流泵进口前段位置安置了一截透明有机玻璃管道，通过该段透明管路可以很清晰地观察清水紊流状态和输沙时的泥沙分布情况。本次试验主要研究清水流场中旋流泵的扬程、轴功率和效率等性能参数随流量的变化情况，以及输送泥沙时泵性能参数在不同泥沙浓度下的变化。为得到旋流泵扬程，根据伯努利方程，需测得泵进出口截面的压力，本试验装置中采用压力传感器，量程0～5 MPa。管道流速用于计算有效功率，采用电磁流量计测量竖直管道上内部流体的垂直流速，由此可推算出旋流泵的进口流量。另外，为计算旋流泵的轴功率，还需测得电机扭矩，本文装置中采用扭矩仪获得该数值。

旋流泵作为本次研究的主要试验对象，其结构如图2所示。设计工况下的主要性能参数如下：流量550 m3/h，扬程29 m，转速950 r/min。其关键部件包括叶轮、叶片、无叶腔和泵进出口管道，其中叶轮外径为480 mm，叶片为后弯曲叶片，叶片宽度为90 mm，叶片包角为60°，无叶腔宽度为160 mm，进口直径为252 mm，出口直径为202 mm。

图2 旋流泵结构Fig.2 Structure of vortex pump

2 实验过程

本次试验共有两组，分别为输送清水试验和输送泥沙试验。考虑到实际使用时该旋流泵主要运行在约500 r/min，故试验时均采用该转速。首先进行了一组清水流场性能试验，管道内流速大小通过电动闸阀来控制。为了检验测量的准确性和重复性，改变输送流量由小到大再由大到小进行了多次反复实验。在清水性能试验的基础上，继续做水沙两相流性能试验，转速同样稳定在500 r/min。本次试验选用中值粒径1 mm、沙粒密度2 540 kg/m3的长江口泥沙。清淤工程中，为保证施工效率，需采取较高的泥沙浓度[15]，本文试验依据实际施工的正常工况，设计的泥沙浓度Cv分别为6.5%、13%、19.5%，对应的水沙混合物密度依次为1 100 kg/m3，1 200 kg/m3，1 300 kg/m3。根据所需泥沙浓度和输送管道体积可计算出需加入的泥沙量，但由于测量误差以及搬运过程中发生散落，实际试验的泥沙浓度与设计值会存在差别。实验时采用密度计来精确监测实际管道内的水沙混合物密度，并依据式(1)计算泥沙浓度。此外，旋流泵扬程H、轴功率P和效率η的具体计算公式依次见式(2)～(5)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：下标w、s、m分别代表清水、泥沙和混合物；Hw为输送清水时扬程，m(水柱)；Hm为输送泥沙时扬程，m(泥浆柱)；ρ为输送流体密度，清水密度取ρw=1 000 kg/m3，沙粒密度依据测量为ρs=2 540 kg/m3，水沙混合物密度则采用密度计的实际测量值；p1、p2分别为泵进口和出口处流体压力，Pa；g为重力加速度，取9.81 m/s2；Δh为水泵的入口与出口之间的高度差，单位与扬程相同；Q为管道流量，m3/s；M为作用在叶轮上的力矩，N·m；n为泵转速，r/min。

3 结果分析与讨论

为了与输沙性能进行比较，提取了旋流泵输送清水的性能曲线。重复性试验的数据显示，其性能曲线基本重合。鉴于现有旋流泵清水输送性能研究较多，其规律基本明确，本文仅选取了一组数据进行说明，如图3中的清水曲线所示。可以看到，清水流场环境中旋流泵所得性能曲线发展趋势与传统泥泵基本一致，扬程随流量增大而减小，轴功率逐渐增大。效率随流量先逐渐增大，当流量增大到某一值时效率最高，之后随流量增大而减小。

为分析泥沙浓度对旋流泵性能的影响，将500 r/min下，不同泥沙浓度的旋流泵性能曲线与相应的清水工况时旋流泵性能曲线进行比较，如图3所示。可以看到，在各泥沙浓度下，泵的扬程、轴功率和效率随流量的变化趋势与清水流场基本相似。而随着泥沙浓度的增加，泵的扬程逐渐下降，轴功率则逐渐升高，效率逐渐降低。其原因主要是，两相流场受泥沙影响较大，液流裹挟泥沙流动需要消耗能量，泥沙颗粒之间以及其与泵壳、泵叶表面的摩擦亦加大，同时泥沙运动惯性较大，会在两相流场中产生更多漩涡与二次流动，这都增加了两相流动的损失与所需动力。在两相流体中，泥沙浓度越高，水沙两相相互作用和摩擦所产生的消耗越多，附加损失增加，从而导致旋流泵出现上述性能下降的结果。

图3 不同泥沙浓度下的旋流泵性能曲线(转速500 r/min)Fig.3 Performance curve of vortex pump under different sediment concentrations

为进一步定量分析扬程和效率的下降值与泥沙浓度的关系，定义扬程比降Rh和效率比降Rη依次如式(6)和(7)所示。其中，下标w和m分别代表清水和混合物。将扬程比降和效率比降随泥沙浓度的变化关系绘制在图4中。

图4 旋流泵扬程比降与效率比降随泥沙浓度的变化Fig.4 Variation of vortex pump head gradient and efficiency gradient with sediment concentration

Rh=Hw-Hm

(6)

(7)

为获得比降与随泥沙浓度改变的定量关系，对图4扬程和效率比降曲线分别作了数据拟合处理，所得关系曲线如图4虚线所示，拟合公式为(8)和(9)。其相关系数分别为0.936与0.989 1，可见公式具有较高的拟合度。同时可以看出，在本文泥沙浓度范围内，扬程和效率比降与泥沙浓度之间基本呈线性正相关，即泥沙浓度越高，旋流泵扬程和效率损失越严重，效率下降越多。因此，当输送不同浓度的水沙两相流体时，就可据此推断出旋流泵相应的扬程和效率，从而便于调整泵的工作状态以满足输送需求。

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 结论

通过改变泥沙浓度，对旋流泵性能进行了试验。结果显示，泥沙对旋流泵性能存在显著影响；随着泥沙浓度的增加，旋流泵扬程和效率比降均呈现线性增加趋势；在本文泥沙浓度范围内，扬程比降和效率比降遵循式(8)、(9)所示规律。这为旋流泵的设计提供了一定的依据，为了能使旋流泵获得高效设计，需要考虑泥沙等介质及固体相浓度对泵性能的影响。