泵閥調水系統管路沖擊特性試驗研究

韓宗真，彭 貝，李 罡，潘永軍，陳躍生

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

泵閥系統廣泛應用于船舶橫傾平衡控制[1]、縱傾平衡控制[2]、浮力調整[3]（均衡泵排水、艙底泵排水），當船舶角度超過預先設定限值時，控制器控制平衡水泵啟動、蝶閥開啟，調撥前/后、左/右平衡水艙的水量，使平衡水艙中水的重量發生相應的改變，從而產生與船舶傾斜相反的力矩來糾正產生的傾斜。

在流體輸送及傳動領域，當管路正常流動的液體由于閥門突然關閉，或者泵突然停轉而改變原來的流動狀態時[4]，會導致管內液體壓力突然升高，進而產生管路瞬態壓力脈動過程，在水力傳輸領域通常稱為水擊[5]。由于壓強的交替變化對管壁或閥門、儀表等產生類似于錘擊的作用，因此，水擊又稱為水錘[6]。水擊的破壞性受管路中流體的流速、閥門關閉速度等因素的影響，控制閥門啟閉速度是一種常用的水擊控制措施。本文根據實際工作需求，設計一種在2 個水艙之間動態調水的泵閥系統，根據船舶姿態實時調整2 個水艙之間的水量，保持船舶姿態的動態穩定。系統工作過程中，通過閥門的組合啟閉，實現2 個水艙及泵進出口之間的切換。為防止系統工作過程中閥門啟閉時出現較大的水擊，開展試驗研究探索不同閥門啟閉速度對應的管路壓力脈動特性，為系統技術指標的確定提供支撐。

1 泵閥持續調水系統工作原理

系統原理如圖1 所示。在2 個浮力調整水艙外部設置一個離心泵、管路及管路附件，通過1～4 號電液蝶閥的啟閉組合，在2 個水艙之間的快速調水，實現對船舶姿態的有效控制。當1 號、4 號電液蝶閥打開時，1 號調整水艙中的海水被調至2 號調整水艙；當2 號、3 號電液蝶閥打開時，2 號調整水艙中的海水被調至1 號調整水艙；當1 號、3 號或者2 號、4 號電液蝶閥同時打開時，海水在一個水艙內部進行循環。電液蝶閥由液壓缸、齒輪齒條機構驅動，通過調節液壓回路中的單向節流閥開度調整電液蝶閥開關速度。

圖1 泵閥調水系統工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of the pump-valve distribution system

試驗室中2 個模擬浮力調整水艙容積均為14 m3，水泵額定流量為900 m3/h、揚程為35 m，1 號、2 號電液蝶閥通徑為300 mm，3 號、4 號電液蝶閥通徑為250 mm，液壓系統管路通徑為10 mm，液壓源壓力等級為10 MPa。

2 試驗過程與分析

水錘產生的壓力強度與水流速度、閥門啟閉時間等因素有關，試驗過程中，首先測試泵揚程-流量特性；然后通過調節液壓回路上單向節流閥開度，調整電液蝶閥的開關速度，研究不同啟閉速度對應的系統管路的水錘特性。

2.1 水泵揚程-流量特性

啟動離心泵，改變泵出口調節閥開度，使得泵進出口壓差達到約0.4 MPa，即泵工作于額定工況，泵揚程-流量特性如圖2 所示。離心泵實際揚程達到約33 m時，流量值達到額定流量900 m3/h，此時泵進、出口管路流速約為3.54 m/s 和5.09 m/s。

圖2 系統所用離心泵流量-揚程曲線Fig.2 The pump flow and head curves

2.2 閥門啟閉過程管路的壓力及流量脈動特性

根據水泵流量-揚程試驗結果，改變泵出口2 個調節閥開度，使泵處于額定工作點。根據調水系統實際工作對閥門啟閉速度需求，在靜態條件下調節電液蝶閥液壓回路節流閥開度，使得電液蝶閥啟閉時間分別為5 s 和10 s。在不同啟閉時間條件下測試閥門啟閉過程系統管路的壓力特性，通過圖1 中泵出口壓力傳感器及電磁流量計測量系統管路壓力及流量變化特性，捕捉壓力及流量脈動值。試驗結果如圖3 和圖4 所示。

圖3 和圖4 分別給出了電液蝶閥啟閉過程中泵出口管路流量、壓力及揚程曲線，試驗過程中，1～4號電液蝶閥啟閉順序為：1號/4號關閉、2號/3號打開→1號/4號打開、2號/3號關閉→1號/4號關閉、2號/3號打開→1號/4號打開、2號/3號關閉→1號/4號關閉、2號/3號打開，圖中共給出了5 次切換過程中的試驗數據。

圖3 啟閉時間為5 s 時系統壓力、流量變化曲線Fig.3 Perssure and flow curves when the opening/closing time is 5 s

圖4 啟閉時間為10 s 時系統壓力、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，啟閉時間為5 s 時，管路系統中出現明顯的壓力、流量振蕩。當啟閉時間延長至10 s 時，管路切換過程中泵出口壓力向小于額定值方向波動，主要原因是進出口閥門在啟閉過程中存在關閉、開啟角度匹配不一致問題，導致泵出口壓力及進出口壓差瞬時降低，流量瞬時升高，但是并未出現“水錘”現象。

試驗過程中的泵出口壓力及流量如表1 所示?？梢姰旈y門開啟時間由5 s 變為10 s 時，系統壓力和流量波動明顯減小。

表1 系統試驗過程中關鍵參數值Tab.1 Key parameters during the experiment

3 結 語

根據試驗結果可知，電液蝶閥啟閉時間為5 s 時，管路系統出現“水錘”現象，而時間延長至10 s 時，可消除“水錘”現象。因此，選擇10 s 啟閉速度作為系統調節裝置的技術參數。本文研究的泵閥調水系統原理適用于首尾、左右舷、液艙與舷外海水之間的調水過程，可為同類系統設計中閥門啟閉速度的設計提供決策依據。