船舶泵閥移水系統(tǒng)水錘抑制方法研究

李 斌，蔡標(biāo)華，俞 健，張德滿

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

船舶泵閥移水系統(tǒng)水錘抑制方法研究

李 斌，蔡標(biāo)華，俞 健，張德滿

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

通過(guò) Flowmaster 瞬態(tài)仿真分析，對(duì)船舶泵閥移水系統(tǒng)水錘抑制方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明，閥快速關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)中存在明顯的水錘現(xiàn)象；延長(zhǎng)閥關(guān)閉時(shí)間和采用兩階段關(guān)閉的策略，可以有效地抑制系統(tǒng)水錘沖擊；閥離泵組越近，對(duì)水錘抑制效果越好；管路中加裝蓄能元件也能有效抑制水錘。

瞬態(tài)仿真；泵閥移水；水錘抑制

0 引 言

為保證船舶良好的操縱性與機(jī)動(dòng)性，在大型潛艇、船舶上均設(shè)置有泵閥移水系統(tǒng)。作為船舶輔助設(shè)備的重要組成部分，泵閥移水系統(tǒng)水利過(guò)渡過(guò)程中的水錘安全對(duì)于船舶的整體功能具有重要的意義和影響。在船舶泵閥移水管路系統(tǒng)中，由于水泵、閥門的啟閉，使流速發(fā)生突然變化，從而引起對(duì)管道的壓力沖擊，在水體慣性和可壓縮性、管壁彈性以及系統(tǒng)阻力作用下，管道內(nèi)水的壓力和密度不斷交替變化，直至穩(wěn)定，這一水力過(guò)渡過(guò)程狀態(tài)為水錘現(xiàn)象[1-3]。由于船舶移水系統(tǒng)泵和閥門啟閉頻繁、流速大、管路長(zhǎng)、水力條件復(fù)雜，系統(tǒng)在實(shí)際使用中存在著比較嚴(yán)重的水錘問(wèn)題。水錘壓力可達(dá)到正常運(yùn)行值的數(shù)倍甚至更高，對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

本文針對(duì)船舶泵閥移水管路系統(tǒng)水錘的特點(diǎn)，利用 Flowmaster 軟件建立系統(tǒng)仿真模型，分析水錘沖擊的特性，并提出該系統(tǒng)水錘抑制的措施。

1 水錘基本理論

水錘現(xiàn)象的起因主要是由于閥瓣位置快速變化、泵的開(kāi)啟和停止等。水錘的壓力在擾動(dòng)處的壓力變化最大，其值可由 Joukowsky 方程得到：

式中：?p為壓力變化值，N/m2；ρ為流體密度，kg/m3；a為壓力波傳播速度，m/s；?v為流體速度變化，m/s。

船舶泵閥移水系統(tǒng)主要是通過(guò)關(guān)閉閥門來(lái)控制移水量。閥門關(guān)閉時(shí)，流體流動(dòng)受阻，產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)，在閥門處壓力變化最為劇烈。壓力波在管路中往復(fù)傳播，且在管路摩擦的作用下逐漸減緩，此處的壓力變化為最大壓力變化。估算壓力波傳播速度可采用公式計(jì)算的方法，計(jì)算任意流體通過(guò)不同材料管道的波速。波速可由下式計(jì)算：

式中：k為流體體積模量，N/m2；d為管道內(nèi)徑，m；t為管道厚度，m；E為管道材料楊氏模量，N/m2；Φ為管道抑制因子。

2 船舶泵閥移水管路水錘數(shù)值模擬

2.1 系統(tǒng)模型

以某船舶泵閥移水系統(tǒng)為例。系統(tǒng)原理圖如圖 1所示。泵進(jìn)出口為Φ110 × 5 銅管。件號(hào) 5 為泵出口球閥，件號(hào) 6 和件號(hào) 7 為管路中間球閥，件號(hào) 8 和件號(hào) 9為管路末端球閥，件號(hào) 12 為首部水艙，件號(hào) 13 為尾部水艙。

2.2 仿真模型

Flowmaster 是全球著名的流體系統(tǒng)仿真分析平臺(tái)，以其高效的計(jì)算效率，精確的求解能力、便捷快速的建模方式被用戶所采用。Flowmaster 擅長(zhǎng)對(duì)流體管路系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，F(xiàn)lowmaster 同時(shí)是面向工程的完備流體系統(tǒng)仿真軟件包，對(duì)于各種復(fù)雜的流體管網(wǎng)系統(tǒng)，都可以利用 Flowmaster 快速有效地建立系統(tǒng)模型，并進(jìn)行完備的分析。

2.3 模型主要參數(shù)設(shè)置

泵組主要參數(shù)設(shè)置如下：額定流量 50 m3/h；額定揚(yáng)程 30 m；額定轉(zhuǎn)速 1 450 r/min；額定功率 7.5 kW。

管路采用彈性管，主要參數(shù)設(shè)置如下：直徑 100 mm；波速 1 200 m/s；絕對(duì)粗糙度 0.025 mm。

水艙采用敞口水箱，主要參數(shù)：損失系數(shù) 0.02；表面壓力 0 MPa；容積 60 m3。

2.4 仿真計(jì)算

運(yùn)行模擬器前，輸入各元件控制參量，將模擬器類型設(shè)置為“不可壓縮瞬態(tài)”模式。根據(jù)彈性管道的網(wǎng)格尺寸，按如下公式確定仿真步長(zhǎng)。

式中：L為管道長(zhǎng)度，m；a為壓力波傳播速度，m/s；S為網(wǎng)格數(shù)。在模擬彈性管道時(shí)，S必須在大于 3 的整數(shù)的 ± 0.2 范圍內(nèi)。因此，選擇時(shí)間步長(zhǎng) ?t為 0.02 s。

3 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)工況動(dòng)態(tài)仿真模擬船舶泵閥移水系統(tǒng)尾部水艙向首部水艙移水工況的全過(guò)程。仿真步長(zhǎng) 0.02 s，仿真時(shí)間 45 s。

3.1 不同關(guān)閥時(shí)間的系統(tǒng)水錘特性仿真分析

圖 3 和圖 4 分別為關(guān)閉泵出口閥（件號(hào) 5）前后節(jié)點(diǎn)的壓力仿真情況。閥門在第 10 s 開(kāi)始線性關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間分別為 2 s 和 10 s。如圖 3 所示，正常工作時(shí)，泵出口閥（件號(hào) 5）閥門上游壓力為 3.09 bar，當(dāng)泵出口閥（件號(hào) 5）關(guān)閉時(shí)間為 2 s 時(shí)，閥門上游水錘峰值壓力為 19.61 bar，當(dāng)泵出口閥（件號(hào) 5）關(guān)閉時(shí)間為10 s 時(shí)，閥門上游水錘峰值壓力為 8.06 bar；如圖 4 所示，正常工作時(shí)，泵出口閥（件號(hào) 5）閥門上游壓力為 3.09 bar，當(dāng)泵出口閥（件號(hào) 5）關(guān)閉時(shí)間為 2 s時(shí)，閥門下游水錘峰值壓力為 14.55 bar，當(dāng)泵出口閥（件號(hào) 5）關(guān)閉時(shí)間為 10 s 時(shí)，閥門下游水錘峰值壓力為 4.35 bar。

由不同關(guān)閥時(shí)間的系統(tǒng)水錘特性仿真可知：

1）正常工作時(shí)，泵組（件號(hào) 4）工作在額定工作點(diǎn)；

2）閥門突然關(guān)閉時(shí)，船舶泵閥移水系統(tǒng)存在明顯的水錘現(xiàn)象，系統(tǒng)管路沖擊壓力可能會(huì)達(dá)到正常工作壓力的數(shù)倍；

3）水錘發(fā)生過(guò)程中，閥門上游節(jié)點(diǎn)的水錘沖擊大于下游節(jié)點(diǎn)；

4）延長(zhǎng)閥門關(guān)閉的時(shí)間，能顯著降低系統(tǒng)中水錘的沖擊壓力，且水錘壓力波的衰減時(shí)間明顯加快，是比較有效的抑制水錘的方式。

3.2 不同關(guān)閥位置的系統(tǒng)水錘特性仿真分析

如圖 1 所示船舶泵閥移水系統(tǒng)泵組出口系統(tǒng)管路有 3 個(gè)閥門，泵出口閥門（件號(hào) 5）、干線中間閥門（件號(hào) 6）和干線末端閥門（件號(hào) 8）分別進(jìn)行控制。閥門在第 10 s 開(kāi)始線性關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間均為 10 s。關(guān)閉不同位置閥門的系統(tǒng)水錘仿真結(jié)果如圖 5 和圖 6 所示。

如圖 5 所示，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉的閥門為泵出口閥（件號(hào) 5）時(shí)，閥門上游水錘峰值壓力為 8.06 bar，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉的閥門為干線中間閥門（件號(hào) 6）時(shí)，閥門上游水錘峰值壓力為 11.21 bar，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉的閥門為干線末端閥門（件號(hào) 8）時(shí)，閥門上游水錘峰值壓力為12.13 bar；如圖 6 所示，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉的閥門為泵出口閥（件號(hào) 5）時(shí)，閥門下游水錘峰值壓力為 4.35 bar，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉的閥門為干線中間閥門（件號(hào) 6）時(shí)，閥門下游水錘峰值壓力為 2.86 bar，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉的閥門為干線末端閥門（件號(hào) 8）時(shí)，閥門下游水錘峰值壓力為2.64 bar。

由不同關(guān)閥位置的系統(tǒng)水錘仿真可知：

1）閥門離泵組越遠(yuǎn)，關(guān)閉閥門時(shí)系統(tǒng)中水錘沖擊越大，由于間接水錘的作用，水錘壓力波的衰減時(shí)間越長(zhǎng)；

2）閥門離泵組越遠(yuǎn)，對(duì)閥后水錘沖擊的抑制效果越好；

3）考慮到閥門上游節(jié)點(diǎn)的水錘沖擊大于下游節(jié)點(diǎn)，因此系統(tǒng)水錘主要考慮閥前壓力的影響。關(guān)閉系統(tǒng)閥門時(shí)，盡量操作系統(tǒng)中離泵組最近的閥是比較有效的抑制水錘的方式。

3.3 不同關(guān)閥曲線的系統(tǒng)水錘特性仿真分析

根據(jù)上述分析可知，關(guān)閉系統(tǒng)閥門時(shí)，盡量操作系統(tǒng)中離泵組最近的閥。為進(jìn)一步研究水錘抑制效果，對(duì)泵出口閥（件號(hào) 5）的關(guān)閉曲線進(jìn)行優(yōu)化，由線性控制改為兩階段控制，首先快關(guān)至 30°，然后慢關(guān)至全關(guān)至 0°。為與線性關(guān)閉方案對(duì)比，選取的兩階段關(guān)閉方案為 2.5 s/7.5 s。閥門在第 10 s 開(kāi)始線性關(guān)閉，12.5 s 時(shí)快速關(guān)閉至 30°，20 s 時(shí)全關(guān)至 0°。不同關(guān)閥曲線的系統(tǒng)水錘仿真結(jié)果如圖 7 和圖 8 所示。

如圖 7 所示，當(dāng)泵出口閥（件號(hào) 5）關(guān)閉曲線為10 s 線性關(guān)閉時(shí)，閥門上游水錘峰值壓力為 8.06 bar，當(dāng)泵出口閥（件號(hào) 5）關(guān)閉曲線為 10 s 兩階段關(guān)閉時(shí)，閥門上游水錘峰值壓力為 5.40 bar；如圖 8 所示，當(dāng)泵出口閥（件號(hào) 5）關(guān)閉曲線為 10 s 線性關(guān)閉時(shí)，閥門上游水錘峰值壓力為 4.35 bar，當(dāng)泵出口閥（件號(hào)5）關(guān)閉曲線為 10 s 兩階段關(guān)閉時(shí)，閥門上游水錘峰值壓力為 3.09 bar。

由不同關(guān)閥曲線的系統(tǒng)水錘仿真可知：相同的關(guān)閥時(shí)間，相比線性關(guān)閉閥門，采用兩階段關(guān)閉閥門，閥前和閥后的水錘沖擊壓力都有明顯減小。因此船舶泵閥移水管路系統(tǒng)中采用兩階段閥能有效地抑制水錘。

3.4 系統(tǒng)水錘其他抑制措施

在系統(tǒng)管路中增加水錘抑制裝置也能有效的對(duì)水錘進(jìn)行抑制，考慮到船舶系統(tǒng)的安裝空間及使用條件，采用以下 2 種措施：一是在閥前端增加水箱和止回閥[4]；二是在閥前端增加蓄能器[5]。不同抑制措施的系統(tǒng)水錘仿真結(jié)果如圖 9 和圖 10 所示。

如圖 9 所示，當(dāng)只對(duì)泵出口閥（件號(hào) 5）采用 2.5 s 30°/ 7.5 s 0°兩階段關(guān)閉時(shí)，閥門上游水錘峰值壓力為 5.40 bar；當(dāng)泵出口閥（件號(hào) 5）前增加水箱和止回閥后，閥門上游水錘峰值壓力為 5.35 bar，壓力峰值有一定降低，但是增加水箱和止回閥后對(duì)系統(tǒng)負(fù)壓補(bǔ)償效果非常明顯，水錘壓力峰谷壓力為 1.87 bar，管路無(wú)負(fù)壓，且水錘壓力波的衰減時(shí)間明顯減?。划?dāng)泵出口閥（件號(hào) 5）前增加蓄能器后，閥門上游水錘峰值壓力為3.84 bar，且水錘壓力波變化非常平穩(wěn)。

如圖 10 所示，3 條曲線在峰值和變化趨勢(shì)上都比較一致。因此在閥前端增加水箱和止回閥和在閥前端增加蓄能器，對(duì)閥下游壓力波動(dòng)有所改善，但改善效果不明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

水錘問(wèn)題是船舶泵閥移水管路系統(tǒng)中有關(guān)穩(wěn)定可靠性和低噪聲運(yùn)行的重要問(wèn)題，本文通過(guò) Flowmaster瞬態(tài)分析功能，建立了船舶泵閥移水系統(tǒng)系統(tǒng)，對(duì)移水系統(tǒng)仿真運(yùn)行模擬，得到水錘壓力變化曲線。計(jì)算99結(jié)果表明，在船舶泵閥移水中，閥門的關(guān)閉時(shí)間對(duì)水錘形成有較大影響，在系統(tǒng)流量控制精度要求范圍內(nèi)，盡量延長(zhǎng)閥門的關(guān)閉時(shí)間，采取兩階段關(guān)閉的控制策略，以抑制系統(tǒng)水錘。另一方面，控制閥離泵組出口距離越近，抑制系統(tǒng)水錘效果越好。在內(nèi)部空間允許的條件下，控制閥門前端采取增加水箱和止回閥、蓄能器等措施，可以有效地抑制系統(tǒng)水錘。

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Research on method of water hammer suppression for marine moving water system by pump and valves

LI Bin, CAI Biao-hua, YU Jian, ZHANG De-man
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

The method of water hammer suppression of the marine moving water system by pump and valves was studied through transient simulation analysis of Flowmaster.The results show that when the valve is closed rapidly, there is an obvious water hammer in the system.Extend the valve closing time and the two stage closure strategy can be used to effectively suppress the impact of water hammer in the system; the closer of control valve from the pump, the water hammer suppression effect was better.Pipeline installation of energy storage components can also effectively inhibit the water hammer.

transient simulation；moving water by pump and valves；water hammer suppression

U270；TB53

：A

1672-7619(2017)01-0096-04doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.019

2016-06-24；

: 2016-07-29

李斌(1988-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榇跋到y(tǒng)設(shè)計(jì)。