船舶泵閥移水系統水錘抑制方法研究

李 斌，蔡標華，俞 健，張德滿

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

船舶泵閥移水系統水錘抑制方法研究

李 斌，蔡標華，俞 健，張德滿

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

通過 Flowmaster 瞬態仿真分析，對船舶泵閥移水系統水錘抑制方法進行研究。結果表明，閥快速關閉時，系統中存在明顯的水錘現象；延長閥關閉時間和采用兩階段關閉的策略，可以有效地抑制系統水錘沖擊；閥離泵組越近，對水錘抑制效果越好；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動性，在大型潛艇、船舶上均設置有泵閥移水系統。作為船舶輔助設備的重要組成部分，泵閥移水系統水利過渡過程中的水錘安全對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中，由于水泵、閥門的啟閉，使流速發生突然變化，從而引起對管道的壓力沖擊，在水體慣性和可壓縮性、管壁彈性以及系統阻力作用下，管道內水的壓力和密度不斷交替變化，直至穩定，這一水力過渡過程狀態為水錘現象[1-3]。由于船舶移水系統泵和閥門啟閉頻繁、流速大、管路長、水力條件復雜，系統在實際使用中存在著比較嚴重的水錘問題。水錘壓力可達到正常運行值的數倍甚至更高，對設備和系統的穩定構成了嚴重的威脅。

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

1 水錘基本理論

水錘現象的起因主要是由于閥瓣位置快速變化、泵的開啟和停止等。水錘的壓力在擾動處的壓力變化最大，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。

船舶泵閥移水系統主要是通過關閉閥門來控制移水量。閥門關閉時，流體流動受阻，產生強烈的壓力波動，在閥門處壓力變化最為劇烈。壓力波在管路中往復傳播，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算的方法，計算任意流體通過不同材料管道的波速。波速可由下式計算：

式中：k為流體體積模量，N/m2；d為管道內徑，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值模擬

2.1 系統模型

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

2.2 仿真模型

Flowmaster 是全球著名的流體系統仿真分析平臺，以其高效的計算效率，精確的求解能力、便捷快速的建模方式被用戶所采用。Flowmaster 擅長對流體管路系統進行整體分析，Flowmaster 同時是面向工程的完備流體系統仿真軟件包，對于各種復雜的流體管網系統，都可以利用 Flowmaster 快速有效地建立系統模型，并進行完備的分析。

2.3 模型主要參數設置

泵組主要參數設置如下：額定流量 50 m3/h；額定揚程 30 m；額定轉速 1 450 r/min；額定功率 7.5 kW。

管路采用彈性管，主要參數設置如下：直徑 100 mm；波速 1 200 m/s；絕對粗糙度 0.025 mm。

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

2.4 仿真計算

運行模擬器前，輸入各元件控制參量，將模擬器類型設置為“不可壓縮瞬態”模式。根據彈性管道的網格尺寸，按如下公式確定仿真步長。

式中：L為管道長度，m；a為壓力波傳播速度，m/s；S為網格數。在模擬彈性管道時，S必須在大于 3 的整數的 ± 0.2 范圍內。因此，選擇時間步長 ?t為 0.02 s。

3 仿真結果分析

系統工況動態仿真模擬船舶泵閥移水系統尾部水艙向首部水艙移水工況的全過程。仿真步長 0.02 s，仿真時間 45 s。

3.1 不同關閥時間的系統水錘特性仿真分析

圖 3 和圖 4 分別為關閉泵出口閥（件號 5）前后節點的壓力仿真情況。閥門在第 10 s 開始線性關閉，關閉時間分別為 2 s 和 10 s。如圖 3 所示，正常工作時，泵出口閥（件號 5）閥門上游壓力為 3.09 bar，當泵出口閥（件號 5）關閉時間為 2 s 時，閥門上游水錘峰值壓力為 19.61 bar，當泵出口閥（件號 5）關閉時間為10 s 時，閥門上游水錘峰值壓力為 8.06 bar；如圖 4 所示，正常工作時，泵出口閥（件號 5）閥門上游壓力為 3.09 bar，當泵出口閥（件號 5）關閉時間為 2 s時，閥門下游水錘峰值壓力為 14.55 bar，當泵出口閥（件號 5）關閉時間為 10 s 時，閥門下游水錘峰值壓力為 4.35 bar。

由不同關閥時間的系統水錘特性仿真可知：

1）正常工作時，泵組（件號 4）工作在額定工作點；

2）閥門突然關閉時，船舶泵閥移水系統存在明顯的水錘現象，系統管路沖擊壓力可能會達到正常工作壓力的數倍；

3）水錘發生過程中，閥門上游節點的水錘沖擊大于下游節點；

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

3.2 不同關閥位置的系統水錘特性仿真分析

如圖 1 所示船舶泵閥移水系統泵組出口系統管路有 3 個閥門，泵出口閥門（件號 5）、干線中間閥門（件號 6）和干線末端閥門（件號 8）分別進行控制。閥門在第 10 s 開始線性關閉，關閉時間均為 10 s。關閉不同位置閥門的系統水錘仿真結果如圖 5 和圖 6 所示。

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

由不同關閥位置的系統水錘仿真可知：

1）閥門離泵組越遠，關閉閥門時系統中水錘沖擊越大，由于間接水錘的作用，水錘壓力波的衰減時間越長；

2）閥門離泵組越遠，對閥后水錘沖擊的抑制效果越好；

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

3.3 不同關閥曲線的系統水錘特性仿真分析

根據上述分析可知，關閉系統閥門時，盡量操作系統中離泵組最近的閥。為進一步研究水錘抑制效果，對泵出口閥（件號 5）的關閉曲線進行優化，由線性控制改為兩階段控制，首先快關至 30°，然后慢關至全關至 0°。為與線性關閉方案對比，選取的兩階段關閉方案為 2.5 s/7.5 s。閥門在第 10 s 開始線性關閉，12.5 s 時快速關閉至 30°，20 s 時全關至 0°。不同關閥曲線的系統水錘仿真結果如圖 7 和圖 8 所示。

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

由不同關閥曲線的系統水錘仿真可知：相同的關閥時間，相比線性關閉閥門，采用兩階段關閉閥門，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中采用兩階段閥能有效地抑制水錘。

3.4 系統水錘其他抑制措施

在系統管路中增加水錘抑制裝置也能有效的對水錘進行抑制，考慮到船舶系統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水錘仿真結果如圖 9 和圖 10 所示。

如圖 9 所示，當只對泵出口閥（件號 5）采用 2.5 s 30°/ 7.5 s 0°兩階段關閉時，閥門上游水錘峰值壓力為 5.40 bar；當泵出口閥（件號 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系統負壓補償效果非常明顯，水錘壓力峰谷壓力為 1.87 bar，管路無負壓，且水錘壓力波的衰減時間明顯減小；當泵出口閥（件號 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。

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

4 結 語

水錘問題是船舶泵閥移水管路系統中有關穩定可靠性和低噪聲運行的重要問題，本文通過 Flowmaster瞬態分析功能，建立了船舶泵閥移水系統系統，對移水系統仿真運行模擬，得到水錘壓力變化曲線。計算99結果表明，在船舶泵閥移水中，閥門的關閉時間對水錘形成有較大影響，在系統流量控制精度要求范圍內，盡量延長閥門的關閉時間，采取兩階段關閉的控制策略，以抑制系統水錘。另一方面，控制閥離泵組出口距離越近，抑制系統水錘效果越好。在內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水錘。

[1]楊麗.長距離大型區域壓力流輸水系統水錘防護計算研究[D].西安: 長安大學, 2009.YANG Li.The reaserch on the protection of water hammer in large-scale regional, pressure flow and long distance water supply system[D].Xi’an: Chang’an University, 2009.

[2]陳卓, 王中.輸水管路水力計算對水錘防護措施的影響[J].西藏大學學報, 2012, 27(2): 116-123.CHEN Zhuo, WANG Zhong.The reaserch on hydraulic calculation of water hammer [J].Journal of Tibet University, 2012, 27(2): 116-123.

[3]龍俠義.輸配水管線水錘數值模擬與防護措施研究[D].重慶：重慶大學, 2013.LONG Xia-yi.Numerical simulation and protection measures of water hammer in transmission and distribution pipeline [D].Chongqing: Chongqing University, 2013.

[4]劉波.無負壓加壓泵站在跨海輸水管線中的水錘防護性能研究[D].杭州：浙江大學, 2013.LIU Bo.Study on water hammer protection performance of nonnegative pressure pumping station in cross sea-water pipeline [D].Hangzhou: Zhejiang University, 2013.

[5]李良庚, 雷冬梅.泵站水錘及防護[J].機電設備, 2015(1): 37-40.LI Liang-geng, LEI Dong-mei.Prevention of water hammer in pump station [J].Mechanical and Electrical Equipment, 2015(1): 37-40.

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，研究方向為船舶系統設計。