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第一节
泥泵

泥泵是挖泥船上的关键设备,用于吸入江河湖海底部的泥浆,排放到一定距离外的岸上或船上泥舱,历来被视为是水力式挖泥船的核心组成部分。为了吸得上且排得远,除泥泵本身要有较大的吸入能力和排出压力外,泥泵在舱内的位置和管路布置也要满足一定的要求:一是尽量安装在最低的位置;二是管线的阻力应尽可能小,特别是吸管要短、弯管半径要大;三是转向要与管路中弯管段引起混合物的转向保持一致。泥泵(见图3-1)有单壳泵、双壳泵。

图3-1 泥泵内部结构

(a)单壳泵;(b)双壳泵

如今泥泵在材质的耐磨特性、内部构造、过流能力等诸多方面较早前的泥泵都有了重大改进,使得泥泵效率显著提高。20世纪70年代,中、小型挖泥船上泥泵效率普遍只有50%~60%,大型船上也不过70%。现今国外著名挖泥船建造厂商所生产的泥泵,其效率普遍达到85%以上,荷兰IHC公司安装在特大型以上绞吸挖泥船上的泥泵效率号称接近90%。

一、泥泵性能特点

1.耙吸挖泥船用泥泵

耙吸挖泥船的泥泵有两个功能,先是把泥浆从船底外吸入排到船上的泥舱中,然后在船到达排放位置时,将泥浆从泥舱中吸出排至驳船或岸上。

现代泥泵从离心式水泵发展而来,它需要适合输送泥砂和水的混合物,甚至带有一些小石块等固体物质。因此泥泵的叶片数较少,且采用较厚的叶片和边壁,在内部结构上,泥泵与水泵其特性的最大差别在于相同流量其内径尺寸较大。

全世界土壤的种类千差万别,被疏浚的物质中也可能存在各种废弃物,因此泥泵在工作时,输送的混合物特性对泵的性能有极大的影响。泥泵与水泵最主要的差别除内径大、叶片数较少外,叶轮与蜗壳之间的分水舌间隙较大,可保证砾石和垃圾能通过泥泵而不致造成堵塞;在泵壳设计时,为耐磨采用较厚的边壁,且水力设计时在满足耐磨性要求下追求最大的效率;叶片设计时采用较厚叶片以提高其耐磨性,叶片间避免重叠以便使混合物获得平顺的通道,减少混合物与叶片的接触而导致叶片磨损。由于固体颗粒会使泥泵磨损和冲蚀增大,一般要求泥泵采用硬度较高的特殊材质。同时,因为部件磨损破坏较快,所以泥泵结构要设计得便于维护和更换零部件。在泥泵的研发设计中还综合考虑了这些特性,包括对叶轮两侧的密封和吸口密封圈可采用水冲洗,为了增加耐磨性而采用的特殊合金,以及为了增加安全性并使工作压力和使用寿命最大化而采用的双泵壳等。

耙吸挖泥船的船用泥泵既要满足挖泥装舱工况低扬程的需要,同时也应具备抽舱吹岸工况高扬程的需要。通常的做法是,针对两种工况泥泵可采用不同的转速:装舱时转速较低,一般不超过200转/分;吹岸时转速较高,接近300转/分。耙吸挖泥船以挖泥装舱为主,两种工况下的泥泵转速都低于绞吸挖泥船用泥泵的转速。

2.绞吸挖泥船用泥泵

绞吸挖泥船的泥泵不同于耙吸挖泥船所用的泥泵。绞吸挖泥船总产量不可避免地要受到泥泵球形通道和吸入能力的影响,所有这些需在设计中加以仔细考虑,并逐一解决。

对于绞吸挖泥船高效专用泥泵而言,需重点解决的是尽可能形成大的球形通道和良好的吸入能力,要求泥泵在球形通道和吸入能力限制条件下使效率达到最大化。对于专为输送岩石而设计的泥泵来说,球形间隙是最重要的设计参数。经验表明:球形通道至少要等于吸口直径的50%,尽量减小不平衡的力,并使球形物能够通过叶轮吸口排放,而通道最小处位于叶片通道的入口处。

与所有水力式挖泥船一样,泥泵对于绞吸挖泥船来说,同样处于核心地位,尤其是在采用排泥管线输送泥砂的情形下,泥泵在挖泥作业(挖、运、卸)的全过程都在连续不断地运转,一旦泥泵发生故障,整个生产作业都不得不因此而停顿。

流量、扬程、功率/转速以及排泥距离等各项参数,是泥泵设计中的关键要素,也是其重要的性能指标,其扬程必须足够克服各种阻力,包括在泥泵额定工作范围内的加速水压头和高度差。对于专为输送岩石设计的泥泵来说,球形通道是最重要的设计参数。

二、泥泵类型

1.舱内泥泵和甲板泥泵

绞吸挖泥船在发展初期,泥泵均与动力设备一起设置于机舱内,谓之舱内泥泵。为了增大排泥距离,接力泵站在一些大型充填项目中开始获得应用;再以后,为更有效地提高绞吸挖泥船的产量和增大排距,舱内设置双泥泵的情形渐渐增多;随着驱动技术的提高,除了舱内泵以外,以电轴驱动的甲板泵也陆续投入使用,近年来国内大、中型绞吸挖泥船和斗轮挖泥船上不乏甲板泵的使用(见图3-2)。

图3-2 大型绞吸挖泥船“新海鳄”号

安装舱内泵时应尽可能缩短吸泥管线的长度,使舱内泵置于水线以下较低的位置,即尽可能贴近船底安装,使吸管入口处吸入空气的概率降至最低。在有两台舱内泵的情形下,确保第一台舱内泵具有良好的吸入性能至关重要,务必使其具有较高的真空极限值或具有较低的气蚀余量。

所有装船的泥泵均需有检查窗口,以便对泵和叶轮进行检查,必要时清除杂物。

2.水下泵

水下泵的应用及研究是随着疏浚业的发展和实践不断地变化。

1959年荷兰教授Jande Koning获得了水下泵发明专利,次年着手在耙吸挖泥船上推广应用,以期增大挖深度和提高产量。然而在当时的技术条件下,无论是水下泵的外形尺寸还是整体重量都使得水下泵的应用在耙吸挖泥船上难以达到预期目标。单根耙管会因为笨重的水下泵装设而弯得“直不起腰来”。

耙吸挖泥船的耙管实际是一根挠性构件。初期,笨重的水下泵装在耙管水下段,无论安装还是运行均难以奏效。为使水下泵具有更好的应用环境,经改进的现代水下泵实际上是水下泥泵和潜水电机的结合(无须通过齿轮箱和联轴器),并具有同一转速。这种机、泵一体化的设计具有良好的重量强度比,使得整体重量明显减轻。对日益大型化的水下泵来说,“瘦身”是成败的关键之一,20世纪90年代以来,新型水下泵在深海取沙工程中渐次取得突破,1998年IHC公司设计的“Volvox Teranova”号单边耙吸挖泥船水下泵功率高达600千瓦,挖深达105米;2000年VOSTA-LMG 公司在“Vasco da Gama”号上采用的两台水下泵皆由充油电动机经减速装置驱动,而泵的传动速度采用先进的变频装置调节,每台泵功率达500千瓦,挖深达到141米;2008年,扬德努集团新设计的巨无霸——46 000立方米耙吸挖泥船的挖深再次取得突破,创造了155米的挖深纪录。

随着对挖深和产量要求的不断提高,促使水下泵在耙吸挖泥船上获得广泛应用,也促进挖泥船技术走向更高层次。20世纪70年代初,德国O&K公司在绞吸挖泥船“SRULERV”号上装设水下泵的尝试终获成功。该水下泵装在桥架位于水下的16米深处,泵的总压头为22米水柱,使该船最终挖深达40米。随后,荷兰在“三角洲计划”的施工中再次采用O&K公司的水下泵,结果进一步表明:在泥砂含量为50%时,挖深反增至50米。尽管当时水下泵的重量依然不轻,但承载水下泵的不是单根耙管,而是刚度比耙管要强得多的绞刀架,使得水下泵在绞吸挖泥船上的应用迅速得到推广,并在提高产量和节省功率等方面获利。

而今绞吸挖泥船上所采用的水下泵与耙吸挖泥船上采用的水下泵实际上并非一回事,目前耙吸挖泥船上采用的是机、泵一体化,体积小且重量轻的电驱动水下泵,造价相对昂贵。而绞吸挖泥船水下泵和驱动系统是相对独立的两个部分,驱动系统大多设在水面以上或者在密封舱内,但也有采用潜水电动机于桥架上的驱动形式。 D6hu5sbS/KkT7lbs7s+XiExF7TS5yOypJVc+y9/1NoshuzP9WV21BTPvWKrtEKQw

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