安传志
（中交上海航道局有限公司东方疏浚工程分公司，200941）
【摘要】本文讨论3500m3/h绞吸挖泥船短排距工况下泥浆输送泵叶轮切割的必要性和计算，探讨扩大柴油机降速范围，以扩大泥泵的正常工作范围并实现节能的目标。
【关键词】切割叶轮特性曲线；叶轮切割计算；柴油机油门限制对切割叶轮性能的影响；扩大柴油机/泥泵降速范围；节能
绞吸船使用离心泵输送泥浆，它的特殊性在于管路特性随施工环境变化很大。在泥泵变频驱动出现以前，传统的设备配置和参数调整很难适应管路特性的变化而实现优化施工。一个典型问题是：短排距使用水下泵加舱内泵的施工场合，为了避免驱动舱内泵柴油机超负荷而必需降低其转速且增加管路缩口，缩口的作用是调节管路特性，既降低了产量又增加了能耗。
1．短排距输送时柴油机超负荷的原因
柴油机超负荷是指转矩、排温超过上限，如图1所示，假定被输送的泥浆性质不变，经过a、b两点的L1线是泥泵在额定转速时的流量-压头曲线，L2是额定管路特性曲线，则a点是泥泵额定工作点，Na在L5额定转速的泵轴功率线上正好处于额定点上，Qa为额定流量。对应的柴油机的功率、转速、转矩也都处在额定值上。
L3是短排距管路特性曲线。如柴油机有足够的动力继续保持泥泵在L1上的额定转速下运转，那么b点是泥泵的工作点，流量Qb增加，压头下降，但实际上这时泥泵已经超过额定轴功率而工作在Nb点上，对应的柴油机功率也超过了额定值。为了保护柴油机，柴油机都设置了最大油门限制，这个供油量与泥泵工作点a时对应的柴油机供油量相当。所以虽然调速器力图保持原来柴油机的转速，但当柴油机转矩超过额定值，柴油机自动降速运行，反映到泥泵的特性，泥泵只能按图中adc负荷限制线运行。例如工作在图中c点，转速和功率均下降。必须说明的是，adc线的长度是有限的，这是因为柴油机在负荷限制线上工作时，转速下降到某个值时，气缸内燃烧不完全而冒黑烟，所以常称为冒黑烟限制。目前常用的解决办法有两个：一是在排泥管上增加缩口，改变L3的位置，向L2线靠拢；二是降低柴油机的转速，使其对应的泥泵部分转速特性曲线也经过d点，让柴油机工况处于正常。实际上，短排距排泥时，加缩口是根本的，降低柴油机调速器设定值只是限定柴油机最高转速，因为负载不可能总是稳定的。然而尽管柴油机功率低于额定值，柴油机的机械负荷和热负载仍然很大，因为泥泵的工况点仍然在负荷限制线上，所以柴油机转速常会低于调速器设定值。
2．短排距时柴油机允许的降速范围
柴油机在大转矩条件下允许的降速范围不仅影响到短排距泥泵的工况调节范围，也影响到泥泵叶轮的切割量，从而进一步影响到泥泵工况的可调节范围。
图1离心泵特性曲线
在图1中，如果管路特性曲线与L2泵额定转速特性曲线的交点在d点，那么只需将泵的转速下降到经过d点那个转速就可以了，不需要加缩口，因为d点还未超过对应柴油机的冒黑烟限制转速。由此看来，a点对应的柴油机转速和c点对应的柴油机冒黑烟限制转速差值越大，其调节短排距工况的能力就越强，流量调节范围也越大。
3．叶轮切割量的计算
3.1叶轮切割的限制条件
关键限制条件是对泵效率降低的影响。因为使用切割叶轮后，同样流量时压头下降使泵出口的水功率下降，如果泵效率下降很少可以忽略，则柴油机的功率也可同比下降；但如泵的效率下降较多，对柴油机来说，其功率在叶轮切割后下降不多，使用切割叶轮就没有意义。
3.2叶轮切割定律
计算公式1最常用，但精度最低，这是多篇文献都指出的。计算公式2是根据统计规律得出的，输送清水时精度最高，该公式要代入比转数。计算公式3是依据渣浆泵的多组实验数据得出的，输送介质与泥泵接近。计算公式4是疏浚公司推荐的，该公式的最大优点是考虑了柴油机的限制特性。
计算公式1：流量Q'/Q=D'2/D2；压头H'/H=(D'2/D2)2；功率N'/N=(D'2/D2)3
计算公式2：流量Q'/Q=(D'2/D2)1.2993；压头H'/H=(D'2/D2)2.1411；功率N'/N=(D'2/D2)3.4404
计算公式3：流量Q'/Q=(D'2/D2)1.6；压头H'/H=(D'2/D2)2.4；功率N'/N=(D'2/D2)4
计算公式4：D'2=0.983×D2×（n’/n）1/2
式中:D2、D2’—分别为切割前后叶片直径n—切割前原始叶轮的额定转速
n’—原始叶轮在柴油机满负荷（转矩）时能达到的最低转速
4．短排距工况下扩大柴油机降速范围的探讨
泥泵正常工作范围和柴油机正常工作范围密切相关，L1、L2、L3是三条等，可以得到如下结果：
4.1切割叶轮并辅以适当的油门限制，使柴油机的降速范围和泥泵的工作范围得以扩大，基本上管路不需要加缩口。
4.2在同样的油门限制下，切割叶轮与原始叶轮比较，压头下降，流量增加，这适合短排矩工况的需要。
4.3以原始叶轮的清水流量限制为基准，切割叶轮在L1线限制下，限制流量偏大，容易引起泥泵气蚀，在L2线限制流量合适，只是最大功率点的流量比原始叶轮泵的额定流量稍小（约96%），但在大部分转速区域，限制的流量要比原始叶轮的流量大。在需要很低压头时L3线限制流量合适。
4.4采用L2、L3线限制，增加了泥泵在限制线上工作的概率。泥泵在限制线上工作，有利于流量的稳定，因为和限制特性线比较，等速泥泵特性曲线向下倾斜得很少，负荷（压头）的少许变化就会引起流量的很大变化，而在限制线上工作的情况正好相反，当然这时泥泵和柴油机转速波动会增加，只要离冒黑烟点较远，就可正常工作。
4.5切割叶轮在L2线限制的最大功率点工作时，对柴油机来说是非常安全的。当需要尽可能获得较大流量时，泥泵就会沿L2线工作，假定设柴油机850rpm为最低安全转速，即离冒黑烟点有50rpm的安全余量，这时即使柴油机转速设定值为1000rpm，而实际工作时由于流量较大，转速跌落，只要不低于850rpm，柴油机仍然是安全的。当柴油机转速逼近850rpm时，泥泵清水流量逼近5m3/s，这对于原始叶轮来说是不可能达到的。
4.6当L2限制的流量偏少时，可以放宽油门限制予以补偿，表现为新限制线在L2线的上方，此时最大功率增加，与柴油机的冒黑烟边界线交点移到C点上方，但对应的柴油机最低转速增加（＞800rpm），也就是缩小了原降速范围。上述措施同样适用L3线。