深海通海閥開啟力仿真與試驗

劉少剛，鄭大勇，潘方冬，程千駒

(哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

隨著我國海洋石油開采走向深海，相應的輔助檢查、維修與探測的潛器也得到了相應的發展。通海閥可通過開閉對壓載水艙進行注水和排水，其工作性能好壞對于潛器的上浮、下沉及平衡都起著至關重要的作用。通海閥開啟方向有內開和外開，一般采用機械傳動或是液壓方法進行開閉。深海通海閥工作時入口壓力大，為了減小開啟力多采用先導式結構。

對于閥門的研究，隨著CFD仿真技術的發展，國內外學者運用CFD技術及有限元方法分別建立了液壓錐閥、球閥、蝶閥等的模型［1-3］，對船用通海閥在不同開度和流量下的閥腔內速度場和壓力場進行了分析［4］，對潛用通海閥的內流道基于降低噪聲目的進行了優化［5］。在閥門啟閉方面，用CFD分析對截止閥開啟與閉合過程中的閥內速度、壓力分布及壓頭損失進行了模擬［6］，基于動網格方法對截止閥啟閉過程進行了全三維湍流數值模擬，得出流體擠壓效應是影響截止閥性能的主要原因［7］，建立了水壓機大流量水閥的數學模型，分析閥芯開啟速度、開啟高度、工作水壓、水閥內泄漏等各種因素對水閥開啟力的影響［8］，給出了閥門扭矩連續測試實驗裝置［9］。

本文基于以上研究并結合所研究通海閥特點，針對某型深海通海閥啟閉力問題，通過仿真及靜壓實驗臺上的帶壓開啟實驗，對其開啟力進行了研究。

1 深海通海閥模型的建立

1.1 深海通海閥幾何結構

深海通海閥結構如圖1所示。其用電動機通過減速器與電磁離合器帶動小齒輪，小齒輪帶動大齒輪。

大齒輪通過矩形螺紋與閥桿相連接，并把大齒輪的旋轉轉化為閥桿的上下移動，實現通海閥的開閉。同時當離合器處于打開狀態時減速器電動機與小齒輪軸脫離，此時可以用手輪扭轉小齒輪并帶動大齒輪實現閥門開閉。開閥時閥桿先向下移動打開先導孔使入口的海水進入到活塞上面的儲水室內，閥桿繼續向下移動頂起閥盤使閥門慢慢打開。閥桿組件如圖2所示。

先導孔打開后閥門入口處的海水沿先導孔進入到儲水室，水壓作用在減壓面上產生向下的幫助閥門開啟的力。由圖2可知減壓面實際作用面積可用下式計算:

式中:S3為減壓面的面積，S1為活塞承壓面橫截面積，S2為閥桿的橫截面積。

圖1 深海通海閥結構圖Fig.1 Structural diagram of the deep diving outboard valve

圖2 通海閥閥桿主視圖Fig.2 Front view of the outboard valve stem

1.2 數值模型

1)流體基本控制方程。

在沒有分支流道中，流體由入口進入流道中，就會有相應的流體通過出口流出流道，在整個過程中流道內部的流體的總質量會有相應的增減。根據能量守恒定律，流道中總質量的增量等于入口流入的質量減去出口流出質量［10］，因此可以得到連續性方程為

式中:V為控制體，A為控制面。

由高斯公式積分可得，笛卡爾標系下其微分形式為

由于本研究的液體為不可壓縮流體且密度為常數，所以簡化公式為

相應的在柱坐標系下方程可簡化為

2)動量守恒方程。

對于流體而言動量守恒方程的意義是作用在流體上的合力沖量等于物體動量變化。其數學方程表示就為動量守恒方程，用微分方式表示為

式中:Fbx、Fby、Fbz為單位質量流體上直角坐標系下的質量力，pyx為流體內應力對應張量的分量。

動量守恒方程針對不同的研究對象有不同的形式，以下幾種方程為根據流體的壓縮性以及粘性劃分。

當流體粘度系數為常數時動量守恒定律為

當流體粘度系數與密度都一定時，動量守恒定律為

3)能量守恒方程。

利用熱力學定律推導的流體運動能量方程為

式中:keff為有效的熱傳導系數，Sh為實際使用中化學反應熱熱源項，Jj'為組分j的擴散流量。

采用浸入體分析方法仿真分析時，在考慮浸入彈性邊界的粘性及不可壓縮流場時，基本控制方程組為［11］

式中:u是流場速度，p是流場壓力，t是時間，ρ是流體的密度，μ是流體動力粘度，F為邊界力源。

2 通海閥數值分析計算方法

2.1 有限元網格模型的建立

在Pro/E中分別建立閥桿及流域簡化模型，并將它們按正確的分析初始位置進行裝配，將裝配體文件導出。以最大網格40 mm進行劃分，網格劃分方式:Proximity and Cnrvature，網格質量在0.7以下。

2.2 邊界條件的建立

分析中使用的流體介質是海水，它是不可壓縮粘性、牛頓流體，因管內流道復雜流體狀態為湍流，所以本算例選用適合于工程問題的k-ε湍流模型［12］。進口采用壓力入口，出口采用壓力出口，流體密度為1 025 kg/m3，海水動力粘度為0.001 054 kg/ms［4］。由于粘性流體在管壁邊界處或閥門閥頭處速度的邊界條件要滿足無滑移條件，因此取固壁上的速度U=0。我國的海洋開采多在500 m水深以上，入口壓力取5 MPa。

2.3 計算過程控制

通海閥在工作時進水口存在平穩的水壓，因此求解分析過程分2步進行，前2 s使閥桿不動，進水口給壓分析，模擬閥外平穩壓力，然后再更改參數至正常閥門開啟時值繼續分析。

通海閥啟閉行程為51 mm，假設開關閥速度為3 mm/s，由此得開閥時間為17 s。考慮到分析結果數據的密度及計算機性能，取每0.05 s進行一個時間步，求解輸出閥桿軸向力。閥桿采用浸入體域和切除體2種方式分析。

2.4 仿真結果分析

運用CFX-Post函數提取及導出命令將開關閥時閥桿軸向受力情況進行導出，并將關閥時輸出閥桿力與開閥時相同開啟度閥桿力對應，并將它們分別繪制在一個圖中如圖3所示。

圖3 先導式通海閥開關閥過程的閥桿軸向受力Fig.3 The axial force exerted on valve stem of pilot operated outboard valve when it is being opened and closed

從圖3可以看出開關閥過程中閥桿軸向力在相同開啟位置時值非常接近，開閥初始位置的閥桿軸向力為32 493.8 N，完全開啟位置閥桿軸向力為10 430.7 N，關閥初始位置閥桿軸向力為10 235.2 N，完全關閉后閥桿軸向力為33 013.4 N。

圖4所示為先導式通海閥開啟過程程中流場流速情況，由圖可知閥桿周圍的流速都在2 m/s左右，與開閥速度3.5 mm/s相比很小，因此開閥時閥桿移動對閥桿軸向受力的影響非常小，所以圖3中開關閥過程的閥桿力非常相近。

圖4 先導式通海閥開閥過程中截面流場流速Fig.4 The flow velocity of cross section of pilot operated outboard valve when it is being opened

如圖5所示為不同結構及分析方法下深海通海閥開閥閥桿軸向力分析，分析圖內3條曲線可知，無先導結構時初始階段閥桿軸向力下降的快，有先導孔結構在整個開啟過程閥桿軸向力變化相對平穩。無先導孔結構在初始開閥瞬間閥桿軸向力為64 334.7 N;有先導孔結構在開啟初始瞬間閥桿軸向力為32 724.1 N，約為不帶先導孔結構的閥桿軸向力的1/2。同時無先導孔式結構閥桿力開啟度到15 mm后與先導式結構的開啟力最大值相等。

圖5 不同分析方法分析結果比較Fig.5 The comparison of analysis results acquired by different analysis methods

2.5 閥門開啟瞬間力計算

通海閥閥桿主視圖如圖2所示，閥門實際開啟時平衡壓力面上的水壓力與閥門入水口處相同，閥桿實際受水壓作用面積應為閥盤最大橫截面積減去平衡壓力面面積，結合式(1)可得如式(14)計算閥桿靜壓力公式。

式中:S4是閥盤最大橫截面積;P為通海閥入水口壓力，取為5 MPa。式中其他各參數值如表1所示。

表1 深海通海閥設計參數Table 1 The design parameters of the deep diving outboard valve

將表1中各參數值代入(14)式求得F值為32 500 N。當不帶先導孔時密封面開啟瞬間閥桿軸向力F1可通過式(15)計算。

將表1中已知量代入式(15)計算得無先導孔下軸向力F1值為64 500 N，2種結構下的計算結果與仿真分析結果存在的誤差在軟件計算誤差范圍內。

3 實驗分析

采用弗賽特WHT-30-D-A/150型液壓閥門試驗臺對深海通海閥完全關閉狀態下的極限工作壓力條件開啟力進行測試，實驗設備如圖6所示。實驗過程中，在手輪處做一個可將扭力板手與小齒輪手輪連接處相連接的連接套，使閥門可以用扭矩板手手動開啟。

實驗過程:首先，將通海閥裝靜壓實驗臺上，如圖6所示，使電磁離合器處于脫離狀態，然后用設計預緊力關閉通海閥，進行打壓檢查閥門密封是否完好，確認閥門無泄漏后，接下來用扭力板手手動開閥并記錄過程中最大數據。進行多次實驗取平均值，各次實驗結果及平均值如表2所示。

圖6 通海閥開啟力實驗裝置Fig.6 The testing apparatus on opening force of outboard valve

表2 深海通海閥開啟扭矩值Table 2 The opening force of the deep diving outboard valve N·m

通過式(16)可以求出測得轉矩的平均值TP:

將表2中已知量代入式(16)得TP=(42.5+37.5+40+35)÷4=38.75 N·m。由于傳動系統存在齒輪傳動，其設計效率值為0.95，則其最大引入誤差為2.125 N·m，其值小于測量用扭力板手最小量程5 N·m的1/2，所以此處忽略齒輪傳動效率帶來誤差。

用手動開閥時開閥扭矩與閥桿受力之間的關系可用下面方程組［13］行求解:

式中:i是齒輪轉動比，其值為3;T是開閥力矩;ψ是螺紋升角;Pl是螺距，其值7 mm;d2是螺紋中徑，其值為40.5 mm;fv是當量摩擦系數;f是靜摩擦系數，值取0.11;β是牙側角，其值為15o;ρ'是當量摩擦角;F是閥桿軸向力，其值為32 500 N。

將各已知參數代入方程組中求得開閥力矩T=37.547 1 N·m，與實驗測得開啟力TP=38.75 N·m，誤差1.202 9 N·m，其結果在允許誤差范圍內。實驗結果表明，以上的理論與仿真分析所得的先導式深海通海閥最大開啟力相符。

4 結論

本文基于CFX仿真及靜壓條件下的帶壓開啟實驗對深海通海閥的開啟力進行了研究，實驗與仿真結果相符。由研究結果可得出如下結論:

1)先導式結構的存在可以有效減小開閥力，針對所分析的深海通海閥可以使最大開啟力減小一半;

2)開啟過程中先導孔一直起著減少開啟力的作用，同時其作用效果的好壞由減壓面面積大小決定;

3)所分析的深海通海閥帶先導孔結構時閥桿力變化相對平穩，開關閥過程閥桿軸向受力相近。

由于實驗條件的限制，本文的深海通海閥的開啟力實驗還有一些不足，僅能證明開啟瞬間的開閥力的大小，下一步可以進行裝艇在深海條件下進行開啟實驗來得到更加有力的數據。

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