滑油壓力控制閥流動(dòng)特性分析

倪林森，李一興，張?chǎng)H羽

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

0 引 言

滑油系統(tǒng)是保證船用汽輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)[1]，滑油壓力控制閥起到調(diào)節(jié)機(jī)組潤(rùn)滑油流量與壓力的作用，其性能決定滑油系統(tǒng)的可靠性。

滑油壓力控制閥通過(guò)改變通流面積實(shí)現(xiàn)對(duì)出口壓力與流量的控制，其流動(dòng)特性與通流面積及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)[2]。常規(guī)測(cè)試方法無(wú)法獲取閥內(nèi)流體詳細(xì)的流動(dòng)特性，因而需要CFD仿真技術(shù)得到其內(nèi)部流場(chǎng)詳盡特征[3]。余曉明[4]借助CFD技術(shù)，通過(guò)改變閥芯型線有效地降低閥內(nèi)流動(dòng)阻力。李哲等[5-6]利用動(dòng)網(wǎng)格方法計(jì)算控制閥內(nèi)部流場(chǎng)，得到壓力控制閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。控制閥內(nèi)流體節(jié)流效果較為顯著，閥內(nèi)常發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，并伴隨振動(dòng)與噪聲。多級(jí)節(jié)流技術(shù)能有效地降低振動(dòng)噪聲與預(yù)防發(fā)生汽蝕[7-8]。

壓力控制閥常為座閥形式，其節(jié)流面與密封面為同一工作面，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致工作面沖蝕嚴(yán)重[9]。本文的滑油壓力控制閥將兩工作面分開(kāi)，并利用多級(jí)孔板節(jié)流的原理[10]設(shè)計(jì)新型壓力控制閥。本文結(jié)合CFD方法分析新型滑油壓力控制閥的流動(dòng)特性。

1 模型及工作原理簡(jiǎn)介

如圖1所示，本文的滑油壓力控制閥主要由調(diào)節(jié)桿、彈簧、滑閥與閥體組成。閥體為一進(jìn)二出結(jié)構(gòu)：滑油進(jìn)口，滑油出口與間隙泄漏油出口。滑油進(jìn)出口的通徑均為100 mm，節(jié)流孔的通徑為60 mm。

滑油從進(jìn)口流經(jīng)節(jié)流孔后進(jìn)行一級(jí)節(jié)流降壓，在滑閥上方的封閉腔室混合，然后再流經(jīng)節(jié)流孔板進(jìn)行二級(jí)節(jié)流降壓后流出。

圖1 滑油壓力控制閥三維結(jié)構(gòu)Fig.1 Three dimensional structure of lubricating oil control valve

滑閥頂部的彈簧在安裝時(shí)設(shè)定有預(yù)緊力，使閥在未工作狀態(tài)完全關(guān)閉。閥正常工作時(shí)，滑閥底部由于與出口相通，出口的滑油壓力使滑閥豎直向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彈簧力與油壓力相等時(shí)，滑閥處于平衡。當(dāng)出口油壓增大時(shí)，滑閥向上運(yùn)動(dòng)，閥內(nèi)通流面積減小流量壓力減小，從而使出口油壓恢復(fù)至設(shè)定值，反之出口油壓減小時(shí)，閥也呈現(xiàn)該動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程。

2 理論分析與三維仿真分析

2.1 理論分析

滑油壓力控制閥通過(guò)小孔節(jié)流的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)出口滑油流量與壓力的控制，其主要性能參數(shù)如表1所示。閥內(nèi)流體為68號(hào)透平油，其特性參照GB11120-89。

表1 性能參數(shù)Tab.1 Performance parameter

滑油壓力控制閥采用多級(jí)節(jié)流降壓，多級(jí)降壓較單級(jí)節(jié)流具有小壓降、低流速與低損失等特點(diǎn)，圖2為在相同流量條件下，多級(jí)節(jié)流與單級(jí)節(jié)流的對(duì)比。圖2中橫坐標(biāo)為閥開(kāi)度，縱坐標(biāo)為閥進(jìn)出口壓差。明顯看出單級(jí)節(jié)流壓差明顯高于多級(jí)節(jié)流，單級(jí)節(jié)流壓差約是多級(jí)節(jié)流的2倍，隨著開(kāi)度增加兩者壓差逐漸減小。進(jìn)出口壓差越大，閥內(nèi)流速越高，閥內(nèi)滑油容易發(fā)生乳化及氣化現(xiàn)象，對(duì)閥與滑油系統(tǒng)都產(chǎn)生不利影響。

圖3為閥進(jìn)出口壓差恒定時(shí)，閥開(kāi)度與流量的關(guān)系曲線，閥最大行程60 mm。

圖2 多級(jí)節(jié)流與單級(jí)節(jié)流的對(duì)比Fig.2 Comparison of multistage throttle and single stage throttle

圖3 閥門開(kāi)度與流量關(guān)系Fig.3 Relationship between valve opening and flow

可知當(dāng)壓差恒定時(shí)，閥門開(kāi)度與流量呈線性關(guān)系，式（1）為開(kāi)度與流量擬合曲線。當(dāng)滑閥開(kāi)度約20 mm左右，此時(shí)流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量值600 L/min。

式中：x表示閥開(kāi)度，mm；y表示流量，L/min。

圖4為流量恒定時(shí)，閥開(kāi)度與進(jìn)出口壓差的關(guān)系曲線圖。可知閥開(kāi)度小于20 mm時(shí)，控制閥進(jìn)出口壓差隨著開(kāi)度的增加而大幅減小，但隨著開(kāi)度繼續(xù)增加，此時(shí)進(jìn)出口壓差小幅減小，其關(guān)系可用下式表示：

式中：常數(shù)a=1×10-6,b=2×10-4,c=1.33×10-2，d=0.344 2，e=3.264 2。

圖4 閥門開(kāi)度與壓差關(guān)系Fig.4 Relationship between valve opening and pressure difference

2.2 三維仿真分析

滑油壓力控制閥內(nèi)間隙較小泄漏量較少，其泄漏流對(duì)閥特性的影響可忽略不計(jì)，因此本文三維仿真計(jì)算未考慮間隙泄漏。

進(jìn)口給予流量溫度邊界條件，出口給予靜壓邊界條件，邊界條件具體設(shè)定值見(jiàn)表1。湍流模型采用KEpsilon模型。

計(jì)算不同閥開(kāi)度的流場(chǎng)，對(duì)比理論計(jì)算的結(jié)果。圖5為流量600 L/min時(shí)，三維仿真與理論計(jì)算的對(duì)比。可知三維仿真的進(jìn)出口壓差略低于理論計(jì)算，兩者的差值隨著開(kāi)度的增大而減小，最大差值0.2 MPa。分析其原因：由于理論計(jì)算時(shí)孔板流量系數(shù)參考文獻(xiàn)[11-12]，其值相對(duì)較小，尤其在小開(kāi)度時(shí)流量系數(shù)更小，因而導(dǎo)致在相同流量時(shí)，理論計(jì)算的壓差比三維仿真值偏大，且隨著開(kāi)度的增加兩者差值逐漸減小。

由圖5可知，當(dāng)閥門開(kāi)度為20 mm時(shí)，滑油壓力控制閥處于正常工作狀態(tài)。分析閥內(nèi)各腔體的流動(dòng)特性以及流體在腔室內(nèi)部的降壓過(guò)程，截取2個(gè)平面，分析在該兩平面上的壓力分布，圖6為2個(gè)平面上的靜壓分布。滑油壓力控制閥內(nèi)部腔室設(shè)計(jì)為兩進(jìn)兩出多級(jí)節(jié)流的結(jié)構(gòu)，通過(guò)平面1與平面2靜壓云圖看出滑油先通過(guò)節(jié)流孔降壓至0.22 MPa，經(jīng)中間混合腔室后再通過(guò)節(jié)流孔節(jié)流降壓至0.15 MPa。觀察圖6兩平面節(jié)流處（圈內(nèi)）壓力與流線，兩端節(jié)流處均未出現(xiàn)局部低壓區(qū)域，壓降平緩，臺(tái)階處流動(dòng)無(wú)明顯渦旋。

兩平面上湍動(dòng)能的分布如圖7所示，平面2上湍動(dòng)能分布可知節(jié)流處兩側(cè)均為進(jìn)口，由于滑油經(jīng)閥內(nèi)窄通道后進(jìn)入左側(cè)進(jìn)口腔室，因而左側(cè)湍動(dòng)能較大，部分動(dòng)能損耗。平面2中間高湍動(dòng)能區(qū)域?yàn)檫M(jìn)口節(jié)流后滑油摻混區(qū)域，滑油由于節(jié)流后噴射入摻混區(qū)域，因而此處湍動(dòng)能較大，此外由于左側(cè)進(jìn)口滑油部分動(dòng)能損耗，致使高湍流區(qū)未出現(xiàn)在中心。平面1中間腔室兩側(cè)湍動(dòng)能較大由于滑油在中間腔室摻混后經(jīng)第二級(jí)節(jié)流孔后噴射出，中間腔室兩側(cè)湍動(dòng)能分布不對(duì)稱是由于右側(cè)滑油直接至出口而左側(cè)滑油需經(jīng)平面1下方腔室后至出口。圖7平面上高湍動(dòng)能區(qū)較少，出口處湍動(dòng)能較小，根據(jù)該現(xiàn)象可知閥內(nèi)摻混較弱，出口流體穩(wěn)定均勻。

圖6 閥內(nèi)平面靜壓分布Fig.6 Pressure distribution of valve inner plane

圖7 閥內(nèi)平面湍動(dòng)能分布Fig.7 Turbulence energy distribution of valve inner plane

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)理論計(jì)算與數(shù)值仿真的方法對(duì)滑油壓力控制閥進(jìn)行細(xì)致的流動(dòng)特性分析，結(jié)論如下：

1）圓孔節(jié)流結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)出口壓差確定時(shí)，流量與開(kāi)度基本呈線性關(guān)系；當(dāng)流量確定時(shí)，進(jìn)出口壓差與閥開(kāi)度呈四次曲線關(guān)系。

2）小開(kāi)度時(shí)理論計(jì)算流量系數(shù)的參考值較數(shù)值模擬高10%，但隨著開(kāi)度的增加兩者差值逐漸減小。

3）二級(jí)節(jié)流降壓結(jié)構(gòu)不僅顯著地弱化因流速過(guò)高導(dǎo)致滑油對(duì)滑閥沖蝕力，還有效地防止滑油因湍動(dòng)能過(guò)高摻混劇烈而導(dǎo)致乳化現(xiàn)象。