大壓差均壓移水系統水力特性研究

張 政，肖龍洲，俞 健，蔡標華，鄒雨靜

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

移水系統作為船舶的重要子系統，承擔著保證船舶航行過程中運行平穩以及操作穩定的功能，使船舶免受海浪以及海洋惡劣天氣的影響[1–3]。目前船舶配備的均壓移水系統是在原移水系統的基礎上改進而成，通過將兩水箱排氣孔相連從而減輕因移水導致的水箱壓力不平衡現象，均壓移水系統相較移水系統而言有助于提高船舶的平穩性以及操作性能。

馬士虎[4]通過數學模型的建立以及軟件、技術接口的搭建，確立了移水系統的程序框圖，奠定了移水系統數學計算模型的基礎。趙棟[5]在原有移水系統基礎上完善系統氣回路、水回路以及關鍵設備的選型以及液壓管路設計工作。鄢俊峰[6]通過建立系統水動力模型、離心泵模型、流量調節閥開度控制動態模型對移水系統模型進行完善。蔡標華[7]通過仿真對移水系統水錘特性進行研究，并通過實驗對仿真結果加以驗證。

由于船舶種類與大小的不同，船舶所配備的均壓移水系統管路長度也不盡相同，較長管路會造成較大的壓力損失，這不僅會影響均壓移水系統的移水能力而且可能導致氣蝕現象的出現。針對該問題，本文建立均壓移水系統flowmaster 模型，通過調節閥門開度產生大壓差模擬實際管路損失，對大壓差工況下系統移水能力以及泵入口壓力進行研究，并設計實驗驗證仿真結果的正確性。

1 均壓移水系統建模、仿真與實驗

1.1 均壓移水系統基本原理

均壓移水系統回路根據管路壓力內流體不同可以劃分為水回路與氣回路。氣回路位于水箱頂部，主要由供氣調節閥組以及供氣裝置構成，另外還有截止閥以及排氣閥等輔助元器件。供氣裝置初始均壓壓力為0.25 MPa，負責對水箱進行充壓。水回路由2 個容積為10 m3的水箱以及離心泵組成，其中每個水箱初始時裝有5 m3的水。另外水回路中還有控制閥、流量調節閥、流量計、止回閥以及壓力傳感器等輔助元器件。

系統氣回路一直保持連接狀態，當系統水回路連接時，水箱1 中的水通過水回路經離心泵增壓后流入水箱2 中，此時水箱1 中氣壓降低、水箱2 中氣壓升高，水箱2 中的氣體通過氣回路進入水箱1 中實現壓力均衡。

1.2 均壓移水系統仿真建模

1.2.1 Flowmaster 仿真模型

依據圖1 所示原理圖，通過Flowmaster 軟件建立如圖2 所示均壓移水系統模型。

圖 1 均壓移水系統原理圖Fig. 1 Schematic diagram of pressure-balancing water conveying system

圖 2 均壓移水系統Flowmaster 模型Fig. 2 Flowmaster model of pressure-balancing water conveying system

圖中元件1 和2 表示水箱1 和水箱2；元件3 表示離心泵；元件4 表示流量調節閥；元件5 表示止回閥；元件6、元件7、元件10 分別表示控制閥3～控制閥1；元件8 和元件9 分別表示截止閥2 和截止閥1；元件26 和元件27 表示壓力傳感器P1和P2，分別用來測量節點1 壓力P1和 節點2 處壓力P2；元件28 和元件29 表示壓力傳感器P3和P4，分別用來測量節點10 壓力P3和 節 點11 處 壓 力P4；P1與P2之 間 以 及P3與P4之 間 的 壓差分別用 ?P12與?P34表 示；?P=?P12=?P34表示閥門模擬的管路壓力損失；元件11 表示供氣調節閥組；元件22 表示供氣裝置，用P0表示供氣裝置初始均壓壓力。

設置元件7～元件11 初始開度為1，元件4 和元件6 初始開度為0。仿真開始后供氣系統向水箱1 和水箱2 充壓使水箱內壓力到達0.25 MPa 后將元件11 的開度調至0，斷開供氣系統與氣回路的連接。啟動離心泵并將元件6 開度調至1，再逐步將元件4 開度調至1。隨后同時調節元件7 和10，使得節點2 相對節點1 壓力降低0.15 MPa，節點10 相對節點11 壓力降低0.15 MPa，觀察此時系統的運行狀態。再將元件6 的開度逐步調至0，并停泵，觀察此時系統的運行狀態。

1.3 大壓差工況下均壓移水系統移水實驗

實驗開始前，水箱1 和水箱2 中初始時裝有5 m3水，截止閥1 和截止閥2 與控制閥1 和控制閥2 開度均為1，供氣系統初始時未與氣回路連通。

實驗開始后，調節供氣調節閥組使供氣系統向水箱1 和水箱2 供氣，水箱內壓力達到0.25 MPa 時關閉供氣調節閥組。隨后啟動離心泵，待其出口壓力穩定后，調節控制閥3 與流量調節閥開度至1。隨后同時調節控制閥1 和控制閥2，使得P2相 對P1減小0.15 MPa，P4相 對P3減小0.15 MPa。觀察此后一段時間內系統移水情況以及泵口空化情況并記錄相關參數。一段時間后將控制閥3 開度調至0、停泵并將實驗臺架回復至初始狀態。

2 結果與討論

2.1 仿真結果與實驗驗證

圖3 為均壓移水系統在大壓差工況下仿真與實驗結果對比?？芍?，大壓差工況下 ?P12、?P34、泵入口壓力、移水流量仿真與實驗數據符合較好，實驗驗證了仿真的正確性。

圖 3 大壓差工況下仿真與實驗結果對比（?P=0.15 MPa，P0=0.25 MPa）Fig. 3 Comparison between simulation and experiment under large pressure difference（?P=0.15 MPa, P0=0.25 MPa）

2.2 大壓差工況下均壓移水系統水力特性分析

2.2.1 大壓差工況下系統壓力分布

在t=150 s，?P=0.15 MPa，P0=0.25 MPa 工況下，系統水回路與氣回路不同節點處壓力分布如圖4 所示。在水回路中，P1(節點1)與P2(節點2)之間通過調節控制閥1 的開度產生0.15 MPa 的壓差導致壓力降低，泵入口壓力（節點3）為系統壓力最小點處，經離心泵增壓后泵出口壓力（節點4）為系統壓力最大點處，P3(節點10)與P4(節點11)之間通過調節控制閥2 的開度產生0.15 MPa 的壓差導致壓力降低，水箱1 內的水經過離心泵增壓后被輸送至水箱2 中，導致水箱1 中液面下降水箱2 中液面上升。在氣回路中，由于水箱1 中液面下降與水箱2 中液面上升，水箱1 中氣壓減小、水箱2 中氣壓增大，水箱2 中氣體通過氣回路輸送至水箱1 中，實現兩水箱中氣體的壓力均衡過程，整個均壓移水系統通過水回路與氣回路2 條回路實現壓力循環過程。

圖 4 系統不同節點處壓力分布（t=150 s，?P=0.15 MPa，P0=0.25 MPa）Fig. 4 Pressure distribution at different nodes of the system（t=150 s，?P=0.15 MPa，P0=0.25 MPa）

2.2.2 大壓差工況下移水流量及泵入口壓力

圖5 為在?P=0.15 MPa，P0=0.25 MPa 的大壓差工況下移水流量及泵入口壓力曲線圖。在t=20 s 前系統閥門尚未打開，水回路斷開、氣回路連接，移水流量為0 m3/h，此時泵入口壓力最大，為0.27 M P a。t=20 s 到t=50 s 的開閥過程中，水回路與氣回路均連接，移水流量快速增大至90 m3/h，而泵入口的壓力不斷減小。在t=50 s 到t=55 s 內通過同步調節控制閥1 與控制閥2 的開度產生0.15 MPa 的壓差，此時移水流量快速下降，系統移水能力降低。泵入口處壓力快速下降，有產生氣蝕的可能性。移水流量在t=55 s 時達到40 m3/h，隨后直到t=210 s 關閥前移水流量一直緩慢降低；泵入口壓力在t=55 s 時達到最小值0.054 MPa，此時仍未達到水的飽和蒸氣壓，未出現氣蝕現象，隨后直到t=210 s 關閥前泵入口壓力均在緩慢增加。在t=210 s 后完全關閥，水回路斷開、氣回路保持連接，此時移水流量降至0 m3/h 并保持不變，而泵入口壓力由于氣回路的均壓過程仍不斷增大。

圖 5 大壓差工況下移水流量及泵入口壓力（?P=0.15 MPa，P0=0.25 MPa）Fig. 5 Hydraulic characteristics of the system under large differential pressure (?P=0.15 MPa，P0=0.25 MPa)

2.3 均壓移水系統不同壓差仿真

為研究不同管路長度對均壓移水系統泵入口壓力以及移水能力的影響，通過改變閥門開度調節壓差對初始均壓壓力P0=0.25 MPa 時不同壓差（?P=0.2 MPa，?P=0.15 MPa，?P=0.1 MPa）下泵入口壓力以及移水流量進行仿真，不同壓差下泵入口壓力如圖6 所示，不同壓差下移水流量如圖7 所示。

圖 6 不同壓差下泵入口壓力（P0=0.25 MPa）Fig. 6 Pump inlet pressure under different pressure differences（P0=0.25 MPa）

圖 7 不同壓差下移水流量（P0=0.25 MPa）Fig. 7 Pump flow under different pressure differences（P0=0.25 MPa）

由圖6 可知，t=20 s 到t=50 s 之間，隨著流量調節閥的開度不斷增大，不同壓差下泵入口壓力由0.27 MPa同步降低至0.19 MPa。而在t=50 s 到t=55 s 之間由于對控制閥1 以及控制閥2 開度的同步調節，此時泵入口壓力均急劇下降，?P=0.1 MPa 工況下泵入口壓力最小時僅為0.073 MPa，?P0=0.15 MPa 工況下泵入口壓力最小時僅為0.054 MPa，?P0=0.2 MPa 工況下泵入口壓力最小時僅為0.041 MPa。t=55 s 后泵入口壓力均緩慢增加，在t=210 s 到t=220 s 由于關閥快速上升。t=220 s 后由于氣回路均壓的效果泵入口壓力緩慢增加。

由圖6 還可知，壓差 ?P的大小會影響移水過程中泵入口壓力最小值的大小，且隨著 ?P的減小泵入口壓力最小值相應會增大，因此隨著管路的增長、管路壓力損失的增大，均壓移水系統泵入口處可能會出現氣蝕現象。

由圖7 可知，t=20 s 到t=50 s 之間，隨著流量調節閥的開度不斷增大，移水流量從0 快速增加至90 m3/h。而在t=50 s 到t=55 s 之間由于對控制閥1 以及控制閥2 開度的同步調節，此時移水流量急劇下降，?P=0.1 MPa工況下移水流量降低至60 m3/h，?P=0.15 MPa 工況下移水流量降低至40 m3/h，?P=0.2 MPa 移水流量降低至25 m3/h。t=55 s 后不同壓差下移水流量均略有降低。在t=210 s 后由于關閥移水流量降低至0 m3/h。

由圖7 還可知，壓差 ?P的大小會影響系統移水能力，且隨著 ?P的減小移水流量不斷增大，因此隨著管路的增長、管路壓力損失的增大，均壓移水系統的移水能力會降低。

2.4 大壓差均壓移水系統不同初始均壓壓力仿真

為研究大壓差工況下均壓移水系統不同初始均壓壓力對泵入口壓力的影響，對大壓差工況（?P=0.15 MPa）下不同初始均壓壓力時（P0=0.275 MPa，P0=0.25 MPa，P0=0.225 MPa）泵入口壓力進行仿真，不同初始均壓壓力下泵入口壓力如圖8 所示。

圖 8 不同初始均壓壓力泵入口壓力（?P=0.15 MPa）Fig. 8 Pump inlet pressure under different initial pressures（?P=0.15 MPa）

由圖8 可知，在t=0 s 到t=300 s 的整個仿真過程中，初始均壓壓力越大則泵的入口處壓力越大，且不同初始均壓壓力下泵入口處壓力變化趨勢相同。其中在t=20 s 前即開閥前壓力值最大；在t=20 s 到t=50 s 的開閥過程中由于水回路連接，泵從水箱1 向水箱2 移水導致壓力下降；在t=50 s 到t=55 s 通過同步調節控制閥1 以及控制閥2 實現調節壓差的過程中壓力急劇降低，且在t=55 s 初始均壓壓力分別為P0=0.275 MPa，P0=0.25 MPa，P0=0.225 MPa 時出現泵入口壓力的最小值，分別為0.077 MPa，0.054 MPa，0.028 MPa；在隨后的移水過程中泵入口處壓力不斷增大，且在t=210 s到t=220 s 的關閥過程中急劇增大；在完全關閥后水回路斷開，此時由于氣回路保持連接，水箱2 中氣體通過氣回路向水箱1 中輸送，因此泵入口壓力緩慢增大。

由圖8 還可知，初始均壓壓力P0的大小會均壓移水系統在大壓差工況下中泵入口壓力最小值的大小，且泵入口壓力最小值會隨著初始均壓壓力P0的增大而增大，在調節壓差完成的瞬間達到最小值，因此可以通過增大初始氣壓P0防止氣蝕現象的出現。

3 結 語

通過調節閥門開度產生較大壓差模擬長管路均壓移水系統的管路壓力損失，利用仿真軟件對均壓移水系統在大壓差工況下系統的水力特性進行仿真研究，通過實驗手段對仿真結果進行驗證，并得出如下結論：

1）均壓移水系統通過水回路移水導致兩水箱內液位高度不同、氣壓不平衡，而高壓水箱內的氣體可以通過氣回路進入低壓水箱內，均壓移水系統通過水回路與氣回路系統的壓力均衡與壓力循環；

2）壓差 ?P會對系統移水能力與泵入口處最小壓力造成影響，且隨著壓差的增大、管路的增長、管路壓力損失的增大，系統移水能力以及泵入口處最小壓力會隨之降低，可能會出現氣蝕現象；

3）隨著系統初始均壓壓力P0的增大，泵入口處最小壓力會隨之增大，因此增大系統初始均壓壓力P0防止出現氣蝕現象的有效方法。