疏浚泥泵外特性及泵壳变形规律的研究

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目前,对挖泥船泥泵的设计和工作特性研究存在局限:(1)泥泵的设计多基于清水介质,未考虑泥沙的影响,使得泥泵的设计与实际性能之间存在较大差异;(2)泥泵设计性能较难兼顾我国河流、湖泊、海湾众多的特点和土质复杂多变的工况;(3)泥泵的复杂、恶劣工作条件不仅引起泵壳的磨损、冲蚀和气蚀,还直接导致泥泵内外压差过大,引起泵壳变形。这不仅影响泥泵的疏浚效率和运行安全,也导致能耗增加和降低泵壳的使用寿命。因此,研究泥砂颗粒性质对疏浚泥泵性能(内流场及外特性)的影响,探究泥泵外特性与泵壳变形之间的关系等,对提高泥泵的疏浚效率和确保运行安全具有重要的理论和现实意义。本文基于1750m3/h挖泥船泥泵固液两相流疏浚工作条件,运用FLUENT软件对泥泵内部流场进行模拟,采用单因素和多因素的试验方法,分析了颗粒体积浓度、直径和密度对泥泵内部压力场的影响:结合压力场的模拟分析将变形模拟中的泵壳模型简化为半泵壳模型,再应用ABAQUS软件对泵壳变形进行预测,结合田口方法定量分析了泥砂颗粒性质对泥泵外特性的影响,总结了有关因素对泥泵外特性及泵壳变形影响的基本特点,探讨了最大负载工况下泥泵外特性与泵壳变形的关系,主要结论如下:(1)压力场的模拟分析表明,泵壳周壁和侧壁压力随圆周角的不同存在一定波动,但相邻波峰和波谷间的差值均在0.1MPa以内;泵壳周壁压力随着圆周角的增加沿流体流动方向波动上升;泥砂颗粒体积浓度和粒径越大,泵壳内压力增加的趋势越明显,随着颗粒密度的增加,泵壳内压力略有增加。(2)泵壳最大变形位置主要发生在轴向最大横截面处,且主要是轴向的外张变形;泵壳变形的较大和较小区域分别位于沿逆时针方向圆周角为300。-30。60°~180°;随着泥砂颗粒体积浓度、粒径及密度的增加,泵壳变形增加,与泵壳内压力的变化规律一致:且颗粒体积浓度对泵壳变形的影响最大,其次是颗粒直径,最小的是颗粒密度。(3)泥泵外特性的研究表明,随着泥砂颗粒体积浓度、粒径和密度的增加,泥泵的扬程、效率减小,而轴功率增加;田口分析发现,颗粒性质对泥泵外特性的影响有如下特点:扬程——粒径>浓度>密度(贡献比分别为69.86%、28.31%、1.84%);轴功率——粒径>密度>浓度(贡献比分别为99.10%、0.74%、0.17%);效率——粒径>密度>浓度(贡献比分别为65.35%、19.58%和15.07%)。(4)泥砂颗粒的单因素影响模拟发现,泥泵以较高的扬程和效率工作时,泵壳变形均较小,表明在一定范围内既可提高泥泵的疏浚效率,又能确保泥泵的运行安全;另外,最大负载工况时,泥泵的扬程和效率显著降低(分别比清水时降低了14.62%和38.65%),泵壳变形为1.547mm,但仍处于安全设计间隙(2mm)范围内。可见1750m3/h挖泥船泥泵在常规细、中、粗颗粒工况下的泵壳变形均处于安全设计值之内。(5)本文数据分析中采用了田口分析方法,不仅得到关于泥泵外特性影响因素的作用程度、而且获得了定量数据,使分析结果更加精确、有效。
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