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新一代疏浚泵

E.A. Munts¹, H.H Bugdayci² and H. Grinwis³

摘要

疏浚是对与混合物流直接接触的所有设备中对磨损要求严格的行业之一。疏浚泵是疏浚装置中重要磨损的重要组成部分。特别是叶轮，当叶轮与混合物存在高速差时，会遇到较大的磨损现象。显然，作为疏浚过程的核心，疏浚泵对疏浚船的生产率有很大的影响。因此，我们不断寻求新技术改进泵，特别是其磨损特性的改进。

疏浚泵的最新改进来自于航空航天工程中广泛采用的技术，并将其应用到挖泥泵的设计中。特别是，挖泥泵中的叶片已被修改借鉴典型机翼设计方面的技术。

这在挖泥泵中产生了一些有趣的新设计特征，在疏浚领域可能被是革命性的。这些新特征已经在旧式泵设计中得到应用，也在较新的泵设计中应用。由于这些新功能需要在现有的疏浚泵中实现，所以几何兼容性是先决条件。这就导致了下一代的挖泥泵没有互换性的损失，不需要改变施工。

本文将对新一代叶轮和泵的开发进行讨论。此外，基于CFD和实践，将介绍这些新功能特别是对疏浚泵的磨损特性的影响。

关键词：疏浚泵 球形通道 液压效率 磨损性能 计算流体动力学

ABSTRACT

Dredging is amongst the most demanding of industries in relation to wear for all the equipment in direct contact with the mixture flow. The dredge pump is one of the big components in the dredging installation subject to heavy wear.Especially the impeller, which encounters a high velocity difference between mixture and impeller itself encounters

heavy wear phenomena. Obviously, being the heart of the dredging process, the dredge pump has a high impact on the productivity of a dredging vessel. Therefore, there is a continuous search for new technology to improve the pump, especially in relation to its wear characteristics.

The latest improvements on the dredge pumps came from technologies commonly widely used in aerospace engineering, which are implemented into the design of dredge pumps. In particular, the blades inside a dredge pump have been modified borrowing typical wing design aspects.

This has resulted in some interesting new design features inside dredge pumps which could be called revolutionary in the field of dredging. These new features have been implemented in an old pump design and also in newer pump designs. Since these new features needed to be implemented in existing dredge pumps, geometric compatibility was

a prerequisite. This has resulted in a next generation of dredge pumps without the loss of interchangeability and need to change the construction.

In this paper development of the new generation impellers and pumps will be discussed. Furthermore, the effects these new features have, especially on the wear characteristics of the dredge pump, will be presented, based on both CFD and practice

Keywords: Dredge pump, spherical passage, hydraulic efficiency, wear properties, computational fluid dynamics.

引言

早期疏浚泵设计的叶轮由两个平坦的护罩组成，其中介于简单的叶片设计之间。叶片是单曲线，最常见的是圆形。通过应用欧拉理论计算的最佳效率点和泵的典型工作状态来估计叶片的角度。叶片的形状是简单的板状设计，沿着叶片的长度具有均匀的厚度。这些常规的泵设计是相当普遍的，并且运用了可用的最好的技术。后来设计得到了改进，但刀片仍然沿刀片的长度单一弯曲，厚度均匀。这些设计在疏浚行业是非常普遍的，它们是优秀的设计，非常适合手头的任务。世界各地还有很多种类的挖泥船，实际上还是有新的建造挖泥船使用这些泵。

挖泥泵进化的下一步是引入弯曲护罩和双弯曲叶片，从而提高性能，特别是在液压效率方面。这发生在30年前。叶片的均匀厚度保持不变。叶轮厚度的第一个变化是随着十年前大型球形通道泵的应用而开始的，这被称为铣刀特种泵。这种叶轮，叶片的厚度在前缘增大，以增强其吸力。然而，厚度的这种增加只是轻微的厚度变化，实际上几乎不显眼。针对目前疏浚泵叶轮的新设计，选择了一种新的方法用于叶片厚度设计。特别地，叶片厚度分布已成为提高液压性能并提高叶轮的磨损寿命的主要设计特征。

随着计算流体动力学的引入，可以模拟离心泵内的流动，从而使设计师对在流动中起重要作用的流动机制有更有价值的理解。反过来，这为基于物理学而不是经验主义的设计改进提供了指导。

性能切割专用泵

切割机特殊（CS）叶轮的液压重新设计的起点是当前切割机特殊（CS）叶轮的性能分析，如图1所示。1.为此，选择具有以下尺寸的切割机特殊泵：

叶轮直径：d2 = 2160 mm

叶轮宽度：b2 = 450 mm

叶轮入口直径：d1 = 900 mm

最大球形通道：dp = 450 mm

标注该泵具有等于叶轮入口直径的一半的大球形通道。该泵的泵性能表现通过CFD计算。为此，已经使用了ANSYS CFX软件包。在这些模拟中，雷诺平均Navier-Stokes方程与考虑湍流效应的SST模型一起求解。

图1.当前切割机专用泵

在图 2将速度为n = 274rpm的CS泵的计算出的泵特性与测量结果进行比较。我们注意到，计算值和测量值之间存在良好的一致性。

泵头略微过度预测（除了非常低的流量），而与计算功率匹配很好。 因此，效率也略高于大约1-2％。

图2.计算和测量转速在n = 274 rpm切割机特殊泵的泵特性。

在图 3，在该泵的工作范围内的典型流速，计算的速度分布显示在垂直于旋转轴线的中心平面中，即， Q = 3.0和4.0 m3 / s。 注意，对于两个流速，都认为直接在叶片前缘的下游观察到流动分离（如图所示）。这种我们不希望的流动行为（不均匀性）导致流动内的能量损失导致泵效率的损失。此外，如在分离的流动区域中观察到的再循环流动可能导致叶片表面的严重磨损。 显然，应避免这种流动行为。

图3 在n = 274转的CS泵中心平面的计算速度分布：（左）Q = 3立方米/秒（右）Q = 4立方米/秒

设计修改

如前所述，已经努力对设计进行改进，旨在改善CS泵性能以及其耐磨性能。为了与现有的船用泵布局兼容，设计修改仅适用于叶轮叶片，同时使叶轮前后护罩和泵壳保持不变。在以下部分中描述了投入应用的设计修改。

刀刃轮廓

如前一节所述，直接在叶片前缘的下游观察到流动分离。在泵的最佳效率点（BEP）中，叶片和入射流通常对准，使得流入角度（接近）为零，也称为无冲击入口条件。在超过BEP的流速下，（绝对）入射角增加。当入射角变得太大时，流动不再能够跟随叶片轮廓并与叶片表面分离。为了避免这种情况，开发了一种对流入角较不敏感的刀片轮廓（专利申请中），如图4所示。我们注意到，与刀片的其余部分相比，该刀片轮廓具有相对较厚的前缘区域，而当前的CS刀片轮廓沿其长度具有近均匀的厚度。由于在前缘区域的磨损通常较高，同时增加的厚度可以增加其相对于磨损的寿命。

图4.新开发的叶片轮廓

在图5中，叶轮中示出了当前CS泵的叶片轮廓和新开发的叶片轮廓。我们注意到，与当前CS刀片相比，后者的前缘半径显着增大。这允许液流以比当前CS刀片以更大的入射角保持附接到刀片表面。对于后者，由于其锋利的前沿，流动已经分离当以相对低的入射角（与BEP的上方和下方的流速相关联）射入时。换言之，此叶轮具有围绕其BEP一个小范围中，流体保持附着，超出此范围流动分离是可能发生，导致效率损失和相关的磨损机制。因此，所开发的叶片轮廓旨在通过防止流动分离来提高叶轮的效率（在更大的流动范围内），同时通过其增加的厚度增加其寿命。

图5.刀片轮廓特殊切刀：（左）当前，（右）修改。

叶片长度

由于其大的球形通道要求，该CS挖泥泵叶轮具有比普通水泵叶轮显着更大的宽度和叶片间距。流动均匀性通常随着叶片通过面积而减小，导致能量损失的增加，从而降低了液压效率。为了最大化流动均匀性（因此水力效率[Guuml;lich]），叶片长度在球形通道要求的限制下增加。这通过以下两个单独的修改完成。

图6.子午视图刀具专用叶轮

首先，叶片前缘向入口前进，如图6中的经向视图所示。由于这种位移倾向于减小叶片之间的最大球形通道，所以我们弯曲前缘，以抵消这种效果。

图7.刀片包角切割特殊泵：（左）当前（右）修改

第二，通过增加刀片包角来进一步增加刀片长度，如图7所示.。我们注意到 ，当前的CS刀片具有恒定的包角，而改进的刀片具有从后面到前护罩的增加的包角。这些所谓的前掠刀片产生刀片重叠的显着增加，如图 7，这导致流动均匀性的增加。此外，由于叶片前缘的圆周速度从后向前护罩增加，所以沿着刀片前缘的磨损也从后到前护罩增加。因此，正向扫掠叶片的应用导致在磨损增加的区域中的叶片长度的延伸。显然，增加的叶片长度增加了叶轮寿命，使得该修改再次用于性能和寿命改进的双重目的。

刀片连接

对CS叶轮的叶片的最后一个修改涉及叶片前缘与前护罩的连接。当沿着前护罩的流动冲击叶片前缘时，可以形成所谓的马蹄涡流。如图8所示，当泵浆流动时，这种涡流可能会引起严重的局部损伤，如图8所示。此外，马蹄涡流倾向于增加流动不均匀性，从而降低液压效率[Guuml;lich]。

图8 由于马蹄涡流造成的局部磨损。

为了最小化马蹄涡流磨损，叶片前缘朝向前护罩逐渐弯曲，以获得平滑过渡，如图9所示。 这里的想法是尽可能地减小沿着前护罩的流动在叶片前缘上的正面冲击，这是马蹄涡流形成的驱动机制。平滑的叶片 - 护罩过渡将流动沿着前缘逐渐引导来避免这种正面冲击。

图9 连接刀片到前护罩：（左）当前（右）修改后

性能设计改进

首先，计算全尺寸改性叶轮的性能，并与当前叶轮的性能进行比较。之后，计算其在模型量表上的表现并与测量结果进行比较。

全面的性能

在图10中，将改进的叶轮的转速n = 274rpm时泵特性的计算全尺寸性能与当前叶轮的泵特性进行比较。我们注意到，对叶轮的改进已经导致在整个流动范围内大约4％的总体水力效率的提升。在低流量（Q lt;3.0 m3 / s）下，这是头部增加的结果，而在较高的流速下，这是由于与当前叶轮相比所需的液压功率降低。特别地，最大计算的水力效率从当前叶轮的83.9％增加到改进叶轮的88.2％。在图12和图13中，显示了流量Q = 3.0和4.0 m3 / s的现在的和改进的叶轮的计算速度分布。对于这两个流量，对于当前叶轮（如上所述），流动分离发生，而对于改进的叶轮，流动保持附着到叶片表面。

如图14所示，通过可视化涡度来研究前面部分所述的叶片 - 护罩平

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