水下泥泵額定功率對(duì)其定額轉(zhuǎn)速的影響

水下泥泵額定功率對(duì)其定額轉(zhuǎn)速的影響

0泥泵和泵的匹配工藝絞吸式泥漿泵的生產(chǎn)能力是其重要的性能指標(biāo)之一。例如，僅根據(jù)泥泵和粘土管道的傳輸能力，確定土泵的類型和驅(qū)動(dòng)裝置的功率，然后選擇土泵的固定工作參數(shù)，對(duì)泥泵的運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)能力有一定影響。在這項(xiàng)工作中，我們將這一點(diǎn)與真實(shí)的船舶配置相結(jié)合。1泥泵的配置參數(shù)本文分析結(jié)合的實(shí)船為某一“3500m3/h絞吸式挖泥船”,該船配置了3臺(tái)泥漿泵,包括1臺(tái)安裝在橋架上的水下泥泵和2臺(tái)安裝在船體內(nèi)的艙內(nèi)泥泵,泥泵配置的相關(guān)參數(shù)如表1。艙內(nèi)泥泵采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng),水下泥泵采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),實(shí)際配置參數(shù)見(jiàn)表1。從表1中可見(jiàn),雖然泥泵和驅(qū)動(dòng)動(dòng)力之間存在齒輪箱和軸系,因而有一定的功率損耗,但艙內(nèi)泥泵的功率和其驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)功率相差較多,對(duì)此影響隨后進(jìn)行分析。2基于粘液泵的額定功率分析2.1計(jì)算結(jié)果及分析在絞吸式挖泥船設(shè)計(jì)之初,往往會(huì)提出一個(gè)額定工況,據(jù)此來(lái)確定泥泵的額定轉(zhuǎn)速。就本文結(jié)合的實(shí)船算例而言,在排管直徑為準(zhǔn)800mm、挖深25m、排高6m、D50=0.2mm和輸送泥漿密度為1350kg/m3時(shí),艙內(nèi)泥泵和水下泥泵的功率取表1中的數(shù)據(jù),對(duì)不同當(dāng)量排距可得到如圖1和表2的計(jì)算結(jié)果。圖1中的橫坐標(biāo)為泥漿流量,縱坐標(biāo)為管阻和排壓?！翱偱艍骸鼻€為3臺(tái)泥泵在輸送指定泥漿的串聯(lián)特性曲線,該曲線有1個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),在該點(diǎn)的左側(cè),流量小,揚(yáng)程高,但所需要的總功率相對(duì)較小,泵機(jī)能以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),泵機(jī)發(fā)出功率小于其額定功率;在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的右側(cè),隨著流量增加,泵機(jī)將不能提供保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)所需的功率,而進(jìn)入降低轉(zhuǎn)速的恒扭矩工作區(qū)域;因此轉(zhuǎn)折點(diǎn)處為泵機(jī)發(fā)出功率和扭矩均在額定值的工作狀態(tài)。其余9條曲線為對(duì)應(yīng)不同排距的管阻曲線,從圖中可以看到存在管阻最小的谷點(diǎn),它們與泥泵的總排壓曲線的交點(diǎn)即為理論上的工作點(diǎn),可以得到泥漿流量、總排壓、泥泵轉(zhuǎn)速和功率等運(yùn)行參數(shù),見(jiàn)表2。2.2不同計(jì)算公式的泵轉(zhuǎn)速圖1計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的土質(zhì)為中細(xì)砂,其沉淀的臨界流速較小,小于2m/s,所以對(duì)于此類土質(zhì)的輸送,在本算例中不需考慮因沉降產(chǎn)生堵管。從圖1可以看到,管阻曲線不是單調(diào)曲線,而是存在著低谷,對(duì)應(yīng)的流速稱為臨界流速,此時(shí)的管阻最小。從圖1可以看到,從2500m到4500m的當(dāng)量排距范圍,管阻曲線與總排壓曲線的交點(diǎn)均在泵機(jī)的恒扭矩工作區(qū)間,其中2500m的艙內(nèi)泵轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的85.6%,4500m的艙內(nèi)泵轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的97.1%。在2000m當(dāng)量排距時(shí),艙內(nèi)泵轉(zhuǎn)速為280r/min,對(duì)應(yīng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為約494r/min,是額定轉(zhuǎn)速的82.4%。在5000當(dāng)量排距時(shí),管阻曲線和總排壓曲線的交點(diǎn)與總排壓曲線折點(diǎn)非常接近,此時(shí)泥泵的轉(zhuǎn)速和功率與設(shè)計(jì)的額定值非常接近。在5500m當(dāng)量排距時(shí),管阻曲線和總排壓曲線的交點(diǎn)在總排壓曲線折點(diǎn)的左側(cè),這表明在排距較長(zhǎng)時(shí),泵機(jī)可以工作在額定轉(zhuǎn)速,且此時(shí)泵機(jī)的功率并沒(méi)有達(dá)到額定功率,這與國(guó)內(nèi)操作挖泥船時(shí)通常不會(huì)讓泵機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的習(xí)慣不一致,為了提高產(chǎn)量,此時(shí)應(yīng)讓泵機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速。圖1中6000m當(dāng)量排距的管阻曲線和總排壓曲線沒(méi)有交點(diǎn),表明此時(shí)的泥泵能力不能輸送密度為1350kg/m3的泥漿,需降低泥泵濃度。如輸送泥漿密度為1300kg/m3的泥漿,相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2,此時(shí)泵機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速,但此時(shí)泵機(jī)的功率并沒(méi)有達(dá)到額定功率;同時(shí)也表明了在當(dāng)量排距為7000m時(shí),泥泵能力不足以輸送密度為1300kg/m3的泥漿,在如此長(zhǎng)排距時(shí),需要更進(jìn)一步降低泥漿濃度。2.3泥泵工作原理對(duì)于上述的土質(zhì)、挖深、排高和泥漿密度,從圖1所示的計(jì)算結(jié)果來(lái)看,理想的工作當(dāng)量排距范圍為2500~4500m,此時(shí)艙內(nèi)泥泵的柴油機(jī)和水下泵電動(dòng)機(jī)均在其恒扭矩工作區(qū)間。泥泵工作在其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的恒扭矩區(qū)間是理想的工作狀態(tài),理由如下:1)與挖泥手操縱的習(xí)慣一致,一般在挖泥作業(yè)時(shí)泵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不會(huì)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,而泵機(jī)的控制則限制其輸出扭矩在額定范圍內(nèi)。2)在實(shí)際疏浚作業(yè)中,由于泥漿濃度、土質(zhì)粒徑和當(dāng)量排距等各種因素并非一成不變,而總是在不停變化和波動(dòng)中,管阻也因此不斷波動(dòng)。由圖1和表2可以看到,泥泵工作在其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的恒扭矩區(qū)間時(shí),管阻的波動(dòng)對(duì)輸送泥漿的流量影響并不太大,如當(dāng)量排距從3500m增加到4000m,泥漿流量?jī)H減少458m3/h,約降低5%。因此,即使出現(xiàn)局部沉淀,導(dǎo)致管阻增加,由于流量減小有限,將使泥管發(fā)生局部沉淀處的流速反而會(huì)增加,從而阻止沉淀的累積,甚至消除局部沉淀。3)對(duì)柴油機(jī)而言,針對(duì)用于疏浚作業(yè)設(shè)計(jì)的柴油機(jī),其恒扭矩區(qū)間的單位功率油耗較低,因此也是比較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行區(qū)間。4)泥泵工作在其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí),如圖1中的5500m當(dāng)量排距,其工作狀態(tài)并不穩(wěn)定,如發(fā)生管阻增大,則會(huì)使輸送泥漿的流量降低過(guò)快,容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。以上原因也正是疏浚行業(yè)一致強(qiáng)調(diào)泵機(jī)需要有恒扭矩能力的原因之一。3根據(jù)泥泵的實(shí)際情況，功率分析3.1泥泵驅(qū)動(dòng)柴油額定功率設(shè)計(jì)和運(yùn)行絞吸式挖泥船時(shí),無(wú)疑要考慮其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。理想的泥泵驅(qū)動(dòng)裝置需按照泥泵的運(yùn)行特性來(lái)配置,因此要求設(shè)定對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)泥泵工況的配置和運(yùn)行參數(shù)。因此在設(shè)計(jì)挖泥船時(shí),具有恒扭矩性能的柴油機(jī)額定功率和泥泵額定功率僅相差傳動(dòng)效率,而不需為柴油機(jī)保留功率儲(chǔ)備。如表1所示,即使考慮泥泵和其驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)之間的齒輪箱與軸系的效率,本算例中的泥泵驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)的額定功率與泥泵設(shè)計(jì)額定功率之間也存在較大的差異。這是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)通常的做法,一方面是考慮柴油機(jī)老化后的功率會(huì)降低,另一方面是基于疏浚作業(yè)需要柴油機(jī)持續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行,而且經(jīng)常承受波動(dòng)負(fù)荷,為了保證柴油機(jī)能可靠運(yùn)行而總是讓柴油機(jī)不滿負(fù)荷運(yùn)行。下面分析此種配置的運(yùn)行狀態(tài)。3.2理論工作點(diǎn)的計(jì)算根據(jù)泥泵驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)的實(shí)際可提供功率和扭矩計(jì)算理論工作點(diǎn)時(shí),在考慮齒輪箱和軸系效率后,艙內(nèi)泥泵可獲得的功率取為3100kW,其余參數(shù)不變,計(jì)算得到的理論工作點(diǎn)如圖3和表3。3.3有效降低泥泵電機(jī)負(fù)載率從圖3可以看到,總排壓曲線存在兩個(gè)拐點(diǎn),第1個(gè)拐點(diǎn)在流量為2.5m3/s附近,是由于水下泥泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的恒扭矩特性造成的;第2個(gè)拐點(diǎn)在流量為3.2m3/s附近,是由于艙內(nèi)泥泵驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)的恒扭矩特性造成的。由于艙內(nèi)泥泵有兩臺(tái),而且單臺(tái)功率比水下泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)大很多,所以第2個(gè)拐點(diǎn)后曲線變陡很多。對(duì)比表2和表3,在當(dāng)量排距從2000m到5000m的范圍內(nèi),泥漿流量有所增加,艙內(nèi)泥泵柴油機(jī)負(fù)荷也有所增加,而水下泵的功率和轉(zhuǎn)速則有所降低。另外也可以看到,表3中柴油機(jī)在4000m當(dāng)量排距時(shí)即開(kāi)始運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速,而在表2中柴油機(jī)在5000m當(dāng)量排距時(shí)才開(kāi)始運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是在配置泥泵運(yùn)行參數(shù)時(shí)降低了柴油機(jī)功率,如按與水下泵現(xiàn)在轉(zhuǎn)速匹配,則艙內(nèi)泵的轉(zhuǎn)速需提高到359r/min,如按艙內(nèi)泵現(xiàn)在轉(zhuǎn)速來(lái)重新確定水下泵的轉(zhuǎn)速,則水下泵的額定轉(zhuǎn)速需下降到262r/min,相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。圖4中標(biāo)注為高速排壓線對(duì)應(yīng)艙內(nèi)泵轉(zhuǎn)速為359r/min和水下泵轉(zhuǎn)速為278r/min,標(biāo)注為低速排壓線對(duì)應(yīng)艙內(nèi)泵轉(zhuǎn)速為340r/min和水下泵轉(zhuǎn)速為262r/min,此兩種配置參數(shù)將使艙內(nèi)泥泵柴油機(jī)和水下泥泵電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率基本一致。從圖4中還可以看到泥泵不同速度對(duì)不同當(dāng)量排距的適應(yīng)性,在泵機(jī)功率一定的情況下,泥泵額定速度較高時(shí)比較適合較長(zhǎng)排距,因此有的泥泵齒輪箱采用了雙速比,以增強(qiáng)對(duì)不同挖泥工況的適應(yīng)性。4泥泵和驅(qū)動(dòng)裝置位置泥泵的輸送能力無(wú)疑是絞吸式挖泥船的重要性能指標(biāo)之一。本文結(jié)合具體算例分析了泥泵參數(shù)配置對(duì)實(shí)際挖泥運(yùn)行狀態(tài)的影響,得到的主要結(jié)論如下:1)泥泵工作在其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的恒扭矩區(qū)間是理想的工作狀態(tài),此時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定,在出現(xiàn)偶發(fā)的管阻增加時(shí),通過(guò)泥泵和驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速的提高,可在一定程度內(nèi)保證排泥正常。2)國(guó)內(nèi)通常按減小柴油機(jī)功率來(lái)配置艙內(nèi)泥泵,實(shí)質(zhì)是在挖泥作業(yè)時(shí)艙內(nèi)泥泵的負(fù)荷大,而水下泥泵負(fù)荷較