泵閥調(diào)水系統(tǒng)管路沖擊特性試驗(yàn)研究

韓宗真，彭 貝，李 罡，潘永軍，陳躍生

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

泵閥系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于船舶橫傾平衡控制[1]、縱傾平衡控制[2]、浮力調(diào)整[3]（均衡泵排水、艙底泵排水），當(dāng)船舶角度超過(guò)預(yù)先設(shè)定限值時(shí)，控制器控制平衡水泵啟動(dòng)、蝶閥開(kāi)啟，調(diào)撥前/后、左/右平衡水艙的水量，使平衡水艙中水的重量發(fā)生相應(yīng)的改變，從而產(chǎn)生與船舶傾斜相反的力矩來(lái)糾正產(chǎn)生的傾斜。

在流體輸送及傳動(dòng)領(lǐng)域，當(dāng)管路正常流動(dòng)的液體由于閥門(mén)突然關(guān)閉，或者泵突然停轉(zhuǎn)而改變?cè)瓉?lái)的流動(dòng)狀態(tài)時(shí)[4]，會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)液體壓力突然升高，進(jìn)而產(chǎn)生管路瞬態(tài)壓力脈動(dòng)過(guò)程，在水力傳輸領(lǐng)域通常稱(chēng)為水擊[5]。由于壓強(qiáng)的交替變化對(duì)管壁或閥門(mén)、儀表等產(chǎn)生類(lèi)似于錘擊的作用，因此，水擊又稱(chēng)為水錘[6]。水擊的破壞性受管路中流體的流速、閥門(mén)關(guān)閉速度等因素的影響，控制閥門(mén)啟閉速度是一種常用的水擊控制措施。本文根據(jù)實(shí)際工作需求，設(shè)計(jì)一種在2 個(gè)水艙之間動(dòng)態(tài)調(diào)水的泵閥系統(tǒng)，根據(jù)船舶姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整2 個(gè)水艙之間的水量，保持船舶姿態(tài)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。系統(tǒng)工作過(guò)程中，通過(guò)閥門(mén)的組合啟閉，實(shí)現(xiàn)2 個(gè)水艙及泵進(jìn)出口之間的切換。為防止系統(tǒng)工作過(guò)程中閥門(mén)啟閉時(shí)出現(xiàn)較大的水擊，開(kāi)展試驗(yàn)研究探索不同閥門(mén)啟閉速度對(duì)應(yīng)的管路壓力脈動(dòng)特性，為系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的確定提供支撐。

1 泵閥持續(xù)調(diào)水系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)原理如圖1 所示。在2 個(gè)浮力調(diào)整水艙外部設(shè)置一個(gè)離心泵、管路及管路附件，通過(guò)1～4 號(hào)電液蝶閥的啟閉組合，在2 個(gè)水艙之間的快速調(diào)水，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶姿態(tài)的有效控制。當(dāng)1 號(hào)、4 號(hào)電液蝶閥打開(kāi)時(shí)，1 號(hào)調(diào)整水艙中的海水被調(diào)至2 號(hào)調(diào)整水艙；當(dāng)2 號(hào)、3 號(hào)電液蝶閥打開(kāi)時(shí)，2 號(hào)調(diào)整水艙中的海水被調(diào)至1 號(hào)調(diào)整水艙；當(dāng)1 號(hào)、3 號(hào)或者2 號(hào)、4 號(hào)電液蝶閥同時(shí)打開(kāi)時(shí)，海水在一個(gè)水艙內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)。電液蝶閥由液壓缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓回路中的單向節(jié)流閥開(kāi)度調(diào)整電液蝶閥開(kāi)關(guān)速度。

圖1 泵閥調(diào)水系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of the pump-valve distribution system

試驗(yàn)室中2 個(gè)模擬浮力調(diào)整水艙容積均為14 m3，水泵額定流量為900 m3/h、揚(yáng)程為35 m，1 號(hào)、2 號(hào)電液蝶閥通徑為300 mm，3 號(hào)、4 號(hào)電液蝶閥通徑為250 mm，液壓系統(tǒng)管路通徑為10 mm，液壓源壓力等級(jí)為10 MPa。

2 試驗(yàn)過(guò)程與分析

水錘產(chǎn)生的壓力強(qiáng)度與水流速度、閥門(mén)啟閉時(shí)間等因素有關(guān)，試驗(yàn)過(guò)程中，首先測(cè)試泵揚(yáng)程-流量特性；然后通過(guò)調(diào)節(jié)液壓回路上單向節(jié)流閥開(kāi)度，調(diào)整電液蝶閥的開(kāi)關(guān)速度，研究不同啟閉速度對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)管路的水錘特性。

2.1 水泵揚(yáng)程-流量特性

啟動(dòng)離心泵，改變泵出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，使得泵進(jìn)出口壓差達(dá)到約0.4 MPa，即泵工作于額定工況，泵揚(yáng)程-流量特性如圖2 所示。離心泵實(shí)際揚(yáng)程達(dá)到約33 m時(shí)，流量值達(dá)到額定流量900 m3/h，此時(shí)泵進(jìn)、出口管路流速約為3.54 m/s 和5.09 m/s。

圖2 系統(tǒng)所用離心泵流量-揚(yáng)程曲線Fig.2 The pump flow and head curves

2.2 閥門(mén)啟閉過(guò)程管路的壓力及流量脈動(dòng)特性

根據(jù)水泵流量-揚(yáng)程試驗(yàn)結(jié)果，改變泵出口2 個(gè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，使泵處于額定工作點(diǎn)。根據(jù)調(diào)水系統(tǒng)實(shí)際工作對(duì)閥門(mén)啟閉速度需求，在靜態(tài)條件下調(diào)節(jié)電液蝶閥液壓回路節(jié)流閥開(kāi)度，使得電液蝶閥啟閉時(shí)間分別為5 s 和10 s。在不同啟閉時(shí)間條件下測(cè)試閥門(mén)啟閉過(guò)程系統(tǒng)管路的壓力特性，通過(guò)圖1 中泵出口壓力傳感器及電磁流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)管路壓力及流量變化特性，捕捉壓力及流量脈動(dòng)值。試驗(yàn)結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

圖3 和圖4 分別給出了電液蝶閥啟閉過(guò)程中泵出口管路流量、壓力及揚(yáng)程曲線，試驗(yàn)過(guò)程中，1～4號(hào)電液蝶閥啟閉順序?yàn)椋?號(hào)/4號(hào)關(guān)閉、2號(hào)/3號(hào)打開(kāi)→1號(hào)/4號(hào)打開(kāi)、2號(hào)/3號(hào)關(guān)閉→1號(hào)/4號(hào)關(guān)閉、2號(hào)/3號(hào)打開(kāi)→1號(hào)/4號(hào)打開(kāi)、2號(hào)/3號(hào)關(guān)閉→1號(hào)/4號(hào)關(guān)閉、2號(hào)/3號(hào)打開(kāi)，圖中共給出了5 次切換過(guò)程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 啟閉時(shí)間為5 s 時(shí)系統(tǒng)壓力、流量變化曲線Fig.3 Perssure and flow curves when the opening/closing time is 5 s

圖4 啟閉時(shí)間為10 s 時(shí)系統(tǒng)壓力、流量變化曲線Fig.4 Perssure and flow curves when the opening/closing time is 10 s

由圖3 和圖4 可以得出，啟閉時(shí)間為5 s 時(shí)，管路系統(tǒng)中出現(xiàn)明顯的壓力、流量振蕩。當(dāng)啟閉時(shí)間延長(zhǎng)至10 s 時(shí)，管路切換過(guò)程中泵出口壓力向小于額定值方向波動(dòng)，主要原因是進(jìn)出口閥門(mén)在啟閉過(guò)程中存在關(guān)閉、開(kāi)啟角度匹配不一致問(wèn)題，導(dǎo)致泵出口壓力及進(jìn)出口壓差瞬時(shí)降低，流量瞬時(shí)升高，但是并未出現(xiàn)“水錘”現(xiàn)象。

試驗(yàn)過(guò)程中的泵出口壓力及流量如表1 所示?？梢?jiàn)當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間由5 s 變?yōu)?0 s 時(shí)，系統(tǒng)壓力和流量波動(dòng)明顯減小。

表1 系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)值Tab.1 Key parameters during the experiment

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，電液蝶閥啟閉時(shí)間為5 s 時(shí)，管路系統(tǒng)出現(xiàn)“水錘”現(xiàn)象，而時(shí)間延長(zhǎng)至10 s 時(shí)，可消除“水錘”現(xiàn)象。因此，選擇10 s 啟閉速度作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置的技術(shù)參數(shù)。本文研究的泵閥調(diào)水系統(tǒng)原理適用于首尾、左右舷、液艙與舷外海水之間的調(diào)水過(guò)程，可為同類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中閥門(mén)啟閉速度的設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。