一種燃?xì)廨啓C(jī)用自力式壓力調(diào)節(jié)閥性能試驗(yàn)系統(tǒng)研制

馬士虎，章茂森，王黎明，江海龍，靳淑軍，李 忠，明 友

（1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；3.安徽省知識(shí)產(chǎn)權(quán)事業(yè)發(fā)展中心，合肥 230051；4.合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，合肥 230031）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱“燃機(jī)”）作為一種緊湊型高效動(dòng)力設(shè)備，是現(xiàn)代船舶上的一種重要的動(dòng)力裝置。燃機(jī)工作時(shí)需要在不同運(yùn)行工況模式之間切換以滿足船舶啟動(dòng)及航行時(shí)的加減速等機(jī)動(dòng)性要求，在不同運(yùn)行工況模式之間切換時(shí)需要保證其進(jìn)油口處的燃油壓力穩(wěn)定在規(guī)定的范圍值內(nèi)，如果進(jìn)油口處的燃油壓力值超出規(guī)定范圍，就會(huì)導(dǎo)致燃機(jī)的保護(hù)功能啟動(dòng)引起緊急停機(jī)等非正常工況，損壞燃機(jī)的工作壽命，也會(huì)影響船舶的機(jī)動(dòng)性指標(biāo)［1-3］。

自力式壓力調(diào)節(jié)閥（以下簡(jiǎn)稱“調(diào)壓閥”）作為一種自能源閥門，無需外界提供動(dòng)力源，利用系統(tǒng)管路自身壓力作為控制源來調(diào)節(jié)壓力，非常適合用于燃機(jī)供油系統(tǒng)用來穩(wěn)定燃機(jī)運(yùn)行工況切換時(shí)進(jìn)燃油進(jìn)油口處的壓力，作為燃機(jī)供油系統(tǒng)中重要的壓力控制單元，需要對(duì)其性能進(jìn)行充分驗(yàn)證之后方可使用［4-6］。

由于燃機(jī)用調(diào)壓閥使用性能有特定要求，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不適用。工程上由于經(jīng)濟(jì)成本原因，無法在實(shí)際的燃機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓閥產(chǎn)品的性能測(cè)試，因此，迫切需要研制一種能精確模擬燃機(jī)工況的試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)燃機(jī)用調(diào)壓閥進(jìn)行測(cè)試。

1 與現(xiàn)有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的不同之處

燃機(jī)供油系統(tǒng)用調(diào)壓閥屬于壓開型結(jié)構(gòu)，其并聯(lián)安裝在燃機(jī)進(jìn)油管路的旁通管路上，調(diào)節(jié)燃油進(jìn)機(jī)之前的壓力，使其始終保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，燃機(jī)供油系統(tǒng)的管路簡(jiǎn)化示意如圖1所示。

現(xiàn)有的針對(duì)調(diào)壓閥的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法主要是依據(jù)JB/T 11049-2010《自力式壓力調(diào)節(jié)閥》，對(duì)于調(diào)壓閥的性能測(cè)試，此標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定與實(shí)際工況存在以下幾方面的顯著不同：

（1）標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于壓力調(diào)節(jié)性能試驗(yàn)驗(yàn)證只有介質(zhì)流量從小到大一種變化工況，實(shí)際上燃機(jī)運(yùn)行時(shí)存在介質(zhì)流量從小到大、從大到小2種變化工況，試驗(yàn)時(shí)必須對(duì)2種變化工況都進(jìn)行驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)中缺少其中一種工況驗(yàn)證條件。

（2）標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的要求及試驗(yàn)項(xiàng)目的條款中，對(duì)于壓開型調(diào)壓閥沒有提及維持壓力參數(shù)穩(wěn)定下的流量參數(shù)要求，壓力參數(shù)與流量參數(shù)不同時(shí)考核。實(shí)際上燃機(jī)在不同工況切換時(shí)，調(diào)壓閥在工作時(shí)壓力參數(shù)與流量參數(shù)是密切關(guān)聯(lián)的。因此，對(duì)調(diào)壓閥的壓力特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，必須同時(shí)要滿足系統(tǒng)要求的流量參數(shù)指標(biāo)，因此，標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法不適用于準(zhǔn)確判定燃機(jī)用調(diào)壓閥的性能是否符合實(shí)際工況要求。

（3）在JB/T 11049《自力式壓力調(diào)節(jié)閥》標(biāo)準(zhǔn)中，是通過調(diào)整圖2示出的試驗(yàn)裝置中的節(jié)流閥對(duì)調(diào)壓閥進(jìn)行壓力特性測(cè)試，在該試驗(yàn)系統(tǒng)中，試驗(yàn)介質(zhì)流量的改變是通過調(diào)整節(jié)流閥的開度來實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上是用節(jié)流閥的不同開度來模擬主機(jī)設(shè)備的不同工況。在此試驗(yàn)系統(tǒng)中，介質(zhì)流量及流速是被動(dòng)的由壓力源到節(jié)流閥這段管路的壓力差所決定。但是在實(shí)際系統(tǒng)特別是燃機(jī)供油系統(tǒng)中，主機(jī)工況變化時(shí)是會(huì)主動(dòng)發(fā)生對(duì)介質(zhì)流量（燃油流量）的增大要求或減小要求，介質(zhì)流量由主機(jī)需求決定，而非壓力差決定，標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)介質(zhì)流量的主動(dòng)變化。

圖2 調(diào)壓閥壓力特性測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Pressure characteristics test system of pressure regulating valve

由于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的調(diào)壓閥性能試驗(yàn)方法與燃機(jī)實(shí)際工況存在上述的顯著不同，導(dǎo)致按照標(biāo)準(zhǔn)推薦方法測(cè)試合格后的調(diào)壓閥產(chǎn)品，在實(shí)際系統(tǒng)使用時(shí)極有可能會(huì)出現(xiàn)壓力特性不能滿足系統(tǒng)要求的狀況。

調(diào)壓閥作為燃機(jī)供油系統(tǒng)中重要的壓力控制單元之一，其性能可靠性非常重要，但是出于試驗(yàn)條件、試驗(yàn)成本等工程實(shí)際出發(fā)，不可能在實(shí)際的燃機(jī)供油系統(tǒng)中對(duì)調(diào)壓閥進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證，為此，需要開發(fā)出燃機(jī)用調(diào)壓閥性能試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠真實(shí)模擬燃機(jī)不同運(yùn)行工況，試驗(yàn)工況需覆蓋本章前述的3處顯著不同之處，以準(zhǔn)確可靠驗(yàn)證調(diào)壓閥的性能，確保燃機(jī)的安全正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)組成及原理

針對(duì)燃機(jī)供油系統(tǒng)的實(shí)際工況要求，經(jīng)過分析研究，結(jié)合工程實(shí)際以及試驗(yàn)成本等方面的綜合考慮，最終確定的燃機(jī)用調(diào)壓閥性能試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。整個(gè)性能試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按功能分為壓力源、管路阻力模擬、燃機(jī)工況變化模擬及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等4部分。壓力源部分負(fù)責(zé)提供調(diào)壓閥試驗(yàn)時(shí)所需的達(dá)到一定壓力的介質(zhì)流量，由動(dòng)力源、油箱、壓力表、流量計(jì)等組成；管路阻力損失模擬部分負(fù)責(zé)模擬燃機(jī)不同工況下動(dòng)力源出口至燃機(jī)進(jìn)口處的沿程管路壓力損失，可以使調(diào)壓閥進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)的工況條件更加逼近實(shí)際工況，有助于分析調(diào)壓閥在極限工況下的性能表現(xiàn)；燃機(jī)工況變化模擬部分負(fù)責(zé)模擬實(shí)際系統(tǒng)中燃機(jī)不同運(yùn)行工況，由模擬燃機(jī)、流量計(jì)、壓力表等組成，是驗(yàn)證調(diào)壓閥性能是否符合實(shí)際燃機(jī)供油系統(tǒng)要求的關(guān)鍵；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)負(fù)責(zé)保障調(diào)壓閥性能試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 燃機(jī)用調(diào)壓閥性能試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.3 Structural principle of the performance test system for pressure regulating valve for gas turbine

3 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要為驗(yàn)證燃機(jī)用調(diào)壓閥的性能而設(shè)計(jì)，目的是希望真實(shí)模擬出燃機(jī)供油系統(tǒng)的運(yùn)行工況，以檢驗(yàn)調(diào)壓閥的實(shí)際使用性能。在整個(gè)研制過程中，關(guān)鍵是燃機(jī)工況變化模擬及管路阻力損失模擬兩方面。

3.1 燃機(jī)工況變化模擬設(shè)計(jì)

如前文所述，基于試驗(yàn)成本等工程客觀條件，無法用真正的燃機(jī)來進(jìn)行調(diào)壓閥的性能驗(yàn)證，因此，燃機(jī)工況變化模擬設(shè)計(jì)是整個(gè)性能試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵，工況模擬越準(zhǔn)確，對(duì)調(diào)壓閥的性能驗(yàn)證越充分。工況模擬的難點(diǎn)是如何在經(jīng)濟(jì)可行的條件下精準(zhǔn)模擬出實(shí)際燃機(jī)工況與燃油流量需求之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 實(shí)際燃機(jī)工況與燃油流量需求的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship curve between the actual operating conditions of the gas turbine and the fuel flow demand

圖4中曲線1的實(shí)線表示實(shí)際工況與燃油流量需求關(guān)系曲線，曲線2的虛線代表模擬出來的關(guān)系曲線，燃機(jī)工況變化模擬的目標(biāo)就是讓曲線2與1完全重合。

為經(jīng)濟(jì)高效實(shí)現(xiàn)上述目的，通過定流量泵和變頻器的組合，來模擬燃機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)燃油流量的主動(dòng)需求及變化，通過變頻器的頻率變化控制定流量泵的轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)介質(zhì)流量的大小變化。依據(jù)供油系統(tǒng)提出的燃機(jī)各工況燃油流量要求及工況切換時(shí)間要求，優(yōu)化定流量泵與變頻器的組合，形成流量參數(shù)及時(shí)間參數(shù)可控的變量泵控制系統(tǒng)，在性能試驗(yàn)系統(tǒng)中高效經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)了模擬曲線與實(shí)際工況曲線的完美重合。

3.2 管路阻力損失模擬設(shè)計(jì)

壓損與燃油流量/流速的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 壓損與燃油流量/流速的關(guān)系曲線Fig.5 The relationship curve between pressure loss and fuel flow/velocity

在實(shí)際的燃機(jī)供油系統(tǒng)中，為精確測(cè)量燃油進(jìn)入燃機(jī)的壓力，調(diào)壓閥取壓口設(shè)置在離燃機(jī)較近處。但是供油泵距離燃機(jī)較遠(yuǎn)，兩者不在同一區(qū)域，從供油泵出口至燃機(jī)燃油進(jìn)口處的沿程管路上布置有閥門、過濾器等一系列設(shè)備，沿程管路很長(zhǎng)且有各種彎曲，導(dǎo)致了明顯的沿程壓力損失，即使在燃機(jī)不工作的情況下，泵出口壓力值與燃機(jī)進(jìn)口處測(cè)量的壓力值也存在差值，當(dāng)管路流量變大時(shí)，這段沿程管路的壓力損失明顯增大，壓損與流量流速的關(guān)系曲線見圖5中的曲線1，本試驗(yàn)系統(tǒng)的管路阻力損失模擬設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是盡可能使試驗(yàn)系統(tǒng)中壓損與流量流速的關(guān)系曲線（圖5中的曲線2）與實(shí)際系統(tǒng)中的曲線重合。由于試驗(yàn)系統(tǒng)管路無法和燃機(jī)實(shí)際供油管路一樣布置，達(dá)不到實(shí)際管路的長(zhǎng)度，也無法安裝過濾器等實(shí)際供油系統(tǒng)真實(shí)存在的設(shè)備，在不同流量流速下，試驗(yàn)系統(tǒng)中泵出口壓力與模擬燃機(jī)進(jìn)口處壓力相同，基于此，本試驗(yàn)系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)閥、孔板、柔性管路相組合的方式對(duì)沿程管路壓損進(jìn)行模擬，經(jīng)過優(yōu)化迭代，最終圖5中的曲線2和1基本重合。

4 試驗(yàn)測(cè)試流程

在本試驗(yàn)系統(tǒng)中，調(diào)壓閥性能測(cè)試的流程及步驟如下：

（1）將調(diào)壓閥安裝在上述試驗(yàn)系統(tǒng)的相應(yīng)位置上，首先啟動(dòng)動(dòng)力源，將試驗(yàn)介質(zhì)的流量和壓力參數(shù)調(diào)整至實(shí)際工況參數(shù)，通過調(diào)壓閥的設(shè)定，將模擬燃機(jī)進(jìn)口處的壓力值調(diào)整到設(shè)定壓力值。

（2）啟動(dòng)模擬燃機(jī)并按照實(shí)際燃機(jī)工作時(shí)的燃油流量及切換時(shí)間參數(shù)對(duì)模擬燃機(jī)進(jìn)行流量及切換時(shí)間2個(gè)方面的參數(shù)控制。

（3）當(dāng)模擬燃機(jī)按照常規(guī)工況在進(jìn)行模擬時(shí)，通過人工或電腦自動(dòng)采樣記錄相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、流量及切換時(shí)間等參數(shù)，若壓力傳感器/壓力表處的壓力值超過規(guī)定值時(shí)，則系統(tǒng)給出報(bào)警信號(hào)。

（4）按照實(shí)際系統(tǒng)中燃機(jī)緊急工況時(shí)的流量及時(shí)間參數(shù)，調(diào)整模擬燃機(jī)的狀態(tài)，通過人工或電腦自動(dòng)采樣記錄相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、流量及切換時(shí)間等參數(shù)，若壓力傳感器/壓力表處的壓力值超過規(guī)定值時(shí)，則系統(tǒng)給出報(bào)警信號(hào)。

（5）先停止模擬燃機(jī)工作，動(dòng)力源運(yùn)行一段時(shí)間，記錄相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、流量參數(shù)后，再停止動(dòng)力源的運(yùn)行，試驗(yàn)結(jié)束。

5 實(shí)際測(cè)試情況

在該試驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)我單位研制的CWT42型燃機(jī)用調(diào)壓閥進(jìn)行了調(diào)壓特性測(cè)試，按照通過模擬燃機(jī)的流量從0到額定值，再由額定值降到0，共進(jìn)行了12組不同切換時(shí)間下的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 調(diào)壓閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Pressure regulating valve test data record sheet

由表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得知，在不同的切換時(shí)間范圍內(nèi)，當(dāng)通過模擬燃機(jī)的介質(zhì)流量為0時(shí)，即模擬燃機(jī)不工作時(shí)，P1與P2之間的壓力差基本穩(wěn)定在0.005 MPa，當(dāng)通過模擬燃機(jī)的介質(zhì)流量最大時(shí)，P1與P2之間的壓力差基本穩(wěn)定在0.03 MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明管路阻力損失模擬的一致性較好，調(diào)壓閥在17～29 s的時(shí)間范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)其要求的調(diào)節(jié)性能。

6 性能試驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

除去燃機(jī)用調(diào)壓閥正常的性能測(cè)試功能外，本系統(tǒng)兩個(gè)方面的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓閥進(jìn)行極限的性能測(cè)試，有助于優(yōu)化燃機(jī)供油系統(tǒng)的安全裕度。

6.1 工況切換時(shí)間可調(diào)

由于采用了變量泵系統(tǒng)，可動(dòng)態(tài)調(diào)整不同工況切換所需時(shí)間，因此，在提供滿足規(guī)定的壓力范圍前提下，可測(cè)試出調(diào)壓閥正常工作所需的最小工況切換時(shí)間，本系統(tǒng)可在5 s內(nèi)完成工況切換，為燃機(jī)供油系統(tǒng)工況變化提供一定的時(shí)間裕度。

6.2 供油管路阻力可調(diào)

本系統(tǒng)具有調(diào)整不同流量/流速下沿程管路壓損的能力，在提供滿足規(guī)定的壓力范圍前提下，可測(cè)試出調(diào)壓閥正常工作所需的最小/最大壓力及最小/最大流量，可為燃機(jī)供油系統(tǒng)中的供油泵、過濾器等設(shè)備提出更精確的流量、揚(yáng)程、阻力系數(shù)等參數(shù)要求提供數(shù)據(jù)支撐。

7 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中推薦的試驗(yàn)設(shè)施及方法無法很好地指導(dǎo)實(shí)際產(chǎn)品的性能測(cè)試性問題，研制了一種燃機(jī)用調(diào)壓閥性能試驗(yàn)系統(tǒng)。文章詳細(xì)介紹了試驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)如何高效經(jīng)濟(jì)便捷地解決實(shí)際燃機(jī)工況變化及沿程管路壓損模擬進(jìn)行了仔細(xì)論述。

利用該系統(tǒng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式的燃機(jī)用調(diào)壓閥進(jìn)行了多輪次的性能測(cè)試試驗(yàn)，在不同切換時(shí)間下在0～2.6 m3/h的流量范圍內(nèi)完成了對(duì)其性能的評(píng)估，調(diào)壓閥在17～29 s的時(shí)間范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)其要求的調(diào)節(jié)性能。

經(jīng)測(cè)試后的調(diào)壓閥裝機(jī)實(shí)用后效果較好，在系統(tǒng)級(jí)的各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)及設(shè)備后續(xù)的實(shí)際使用中均良好地保障了燃機(jī)的長(zhǎng)期正常工作運(yùn)行，實(shí)踐證明該系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品性能測(cè)試的可靠性效果良好。該性能測(cè)試系統(tǒng)可滿足該類燃機(jī)用調(diào)壓閥的性能測(cè)試需求，可以為其它類似試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。