海水循环泵自流特性仿真研究

孙长江 吴 炜 张晓阳 黄卫庆

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连 116005

2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

3大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116005

海水循环泵自流特性仿真研究

孙长江1吴 炜2张晓阳1黄卫庆3

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连 116005

2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

3大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116005

利用船舶前进时海水进水口“自流”特性，在船舶达到一定航速时关闭循环泵汽轮机，可以达到节能的目的。结合循环泵汽轮机的热力计算、配汽计算、循环泵水力特性计算的结果，建立基于AMESim软件的海水循环泵及其控制系统仿真模型，考虑船体及主机的惯性，通过稳态工况仿真与试验数据对比验证了模型的有效性，其相对误差小于3.4%。利用所建立的模型对“自流”时海水循环泵的动态过程进行仿真分析，为海水循环泵的运行操作、维修保障、试验台架建设以及控制系统升级改造提供了有价值的参考。

汽轮机；循环泵；自流；仿真

1 引言

以汽轮机为推进动力的船舶上，主要由海水循环泵向动力系统主冷凝器、滑油冷却器等设备提供冷却海水。船舶在海面航行时，以船为参照物正航时，海水从设计线型的进水口以一定的动能进入循环水系统，即产生“自流”。当船舶达到一定航速时，驱动汽轮机即使不做功，“自流”的海水也可以满足主动力系统对冷却水流量的需求。因此，合理利用船舶的“自流”特性，可以有效地降低蒸汽的消耗，提高船舶动力装置的效率。

仿真技术以其有效、可重复操作、经济和安全等优点，在大型动力机械领域得到了广泛应用［1］。随着新技术在船舶海水循环泵中的应用，其系统在功能日臻完善、优化的同时也变得更加复杂。为了验证系统的性能，往往需要进行大量的试验，并且在调试过程中可能会超过设备各部套安全极限的限制，甚至发生事故［2］。AMESim软件是法国Imagine公司推出的一种用于机、电、液、热、流体、控制等多学科仿真的高级建模和仿真软件［3］，在船舶领域被应用于船舶推进系统、伺服机构、变距桨以及液压控制设备［4-7］等系统或设备的性能仿真。此外，该仿真软件也被广泛应用于船舶汽轮机控制系统的优化［8］，以及运行人员的培训等。

本文将利用AMESim软件，建立海水循环泵及控制系统的仿真模型，在考虑循环泵进口压力变化时，将船体及主机的惯性也一并加以考虑，对海水循环泵的自流特性进行分析。

2 海水循环泵仿真模型

2.1 海水循环泵及功能简介

海水循环泵主要包括驱动汽轮机、减速器、循环泵及控制系统等。控制系统主要由启动滑阀、油动机以及阀门等设备构成，受来自主汽轮机组控制系统的正、倒车电液转换器脉冲油压的控制（由于脉冲油压与主汽轮机组（以下简称“主机”）工况是比例对应关系，以下均以脉冲油压代替主组工况）。启动滑阀保证通向油动机的倒车脉冲油管路在正车、停车以及倒车低工况输出恒定脉冲油压（以下称为“启动压力”），并在倒车高工况时实现倒车脉冲油压随主机工况变化。油动机的工作特点是在停车工况保持某一恒定行程，随主机正车工况的升高而关小，随主机倒车工况的升高而开大。海水循环泵的运行由控制系统的特性决定，在停车工况，汽轮机保持恒定转速拖动循环泵转动，并提供一定压头和流量的循环水。在正车工况，随着主机工况的升高，船舶航速增大，“自流”作用增强，即使在逐步减少驱动汽轮机进汽量的情况下（驱动汽轮机功率降低），循环泵和驱动汽轮机转速仍会逐步增加，当船舶航速达到一定值时，驱动汽轮机与循环泵脱开，完全靠“自流功”推动循环泵工作，循环泵转速继续增加，而驱动汽轮机在摩擦及鼓风损失等阻力的作用下，逐渐停机；在倒车工况，船舶倒航，随着航速的增加，在泵入口会形成一定的负压，为了保证主机对循环水量的需求，必须增大驱动汽轮机的功率。

2.2 海水循环系统建模

根据海水循环泵汽轮机的热力计算［9－10］、配汽计算、循环泵水力特性计算以及启动滑阀和油动机的设计图纸，利用AMESim软件，建立了海水循环泵及控制系统的仿真模型（图1）。模型中包括了启动滑阀、油动机及海水循环泵本体等几个部分。启动滑阀及油动机模型中各参数的设置完全依据启动滑阀和油动机的结构参数进行设置，滑阀套筒间隙按最大值设置［11］，海水循环泵本体模型主要依据汽轮机的热力计算、配汽计算、循环泵水力特性计算的结果，在这些计算的基础上进行数据拟合。考虑到当来自主机正倒车控制脉冲油信号变化时，船体航速不会立刻随之改变，因此，在考虑循环泵进口压力变化时，将船体及主机的惯性也一并加以考虑。

图1 基于AMESim的海水循环泵仿真模型Fig.1 Simulationmodel of seawater circulating pump based on AMESim software

3 稳态工况仿真与试验验证

为了验证所建立模型的准确性，将模型中各环节的稳态工况仿真结果与各设备的试验数据进行了比较分析，如表1所示。通过两者的对比可以看出，仿真结果与试验数据吻合较好，其相对误差最大值不超过3.4%，从而证明了所建立模型的正确性。

表1 静态仿真与试验数据对比表Tab.1 Data c omparisons of static simulation and experiment al data

4 动态性能仿真及分析

在生产制造过程中，受试验条件限制，海水循环泵一般很难进行动态试验，仿真可以在一定程度上弥补这方面的不足。

4.1 主机升速时海水循环泵动态过程

正航时，假定主机由停车阶跃升负荷至100%工况。此时，循环泵油动机正车给定脉冲油压从0.15 ～0.2 MPa 阶跃变化，汽轮循环泵的动态响应过程如图2所示。在响应的初始阶段由于驱动汽轮机的阀门关小，而船舶的航速还未来得及改变，循环泵和驱动汽轮机的转速略有下降。随着航速的增加，由于“自流功”的不断增强，循环泵和驱动汽轮机的转速开始上升。当减速器输出轴转速低于循环泵转速时，两者脱开。由于与减速器输出轴脱开导致折算到泵轴的转动惯量急剧降低，循环泵角加速度增大，循环泵转速迅速升高。由于循环泵的阻力矩与转速的平方成正比，阻力功迅速增大接近“自流功”，角加速度又迅速降低，并使“自流功”逐渐占据主导，直至循环泵转速稳定。而驱动汽轮机在蒸汽阀门完全关闭后，在摩擦及鼓风损失等阻力的作用下，逐渐停机。船舶阶跃加速过程中，流量与主机工况的关系如图3所示。

4.2 主机降速时海水循环泵动态过程

图 2 正车 0.15～0.2 MPa 阶跃响应Fig.2 Step response under ahead condition at0.15～0.2MPa

图3 循环泵流量阶跃响应曲线Fig.3 Step response curve of circulating pump flow rate

正航时，假定主机由100%工况阶跃降负荷至停车。此时，循环泵油动机正车给定脉冲油压从0.2～0.15 MPa 阶跃变化， 汽轮循环泵的动态响应过程如图4所示。随着给定信号的突变，驱动汽轮机阀门迅速达到停车工况的开度，船舶由于惯性很大航速逐步降低。由于驱动汽轮机工况迅速达到了停车工况所发的功率值，而船舶在缓慢减速。当驱动汽轮机与循环泵的转速贴合时，驱动汽轮机和循环泵的转速同时升高，并随船舶航速的逐步降低而下降。船舶阶跃降速过程中，循环泵流量与主机工况的关系分别如图5所示。

图 4 正车 0.2～0.15 MPa 阶跃响应Fig.4 Step response under ahead condition at 0.2～0.15 MPa

图5 循环泵流量阶跃响应曲线Fig.5 Step response curve of circulating pump flow rate

5 结论

仿真研究表明，“自流”技术在满足船舶对循环水量需求的同时，可以有效减少对蒸汽的需求，尤其适用于大型船舶。具有“自流”功能的海水循环泵主要特点为：

1）在主机停车工况，汽轮机具有一定的功率输出，保证停车工况主动力系统对冷却水流量的需求；

2）在主机处于正车工况时，随着正车工况的升高减少驱动汽轮机的功率输出，并在自流循环水量满足主动力系统需求时，关闭驱动汽轮机阀门，使其处于热态备机状态；

3）在主机处于倒车工况时，随着倒车工况的升高增加驱动汽轮机的功率输出，满足由于主机工况增加对冷却海水量的需求；

4）设有单向超越离合器，实现自流工况下汽轮机（含减速器）与循环泵之间的自动离合。

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Simulation Study on Automatic Flow Characteristics of Seawater Circulating Pump

Sun Chang－jiang1 Wu Wei2 Zhang Xiao－yang1 HuangWei－qing3
1 Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd，Dalian 116005，China
2 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China
3 Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd，Dalian 116005，China

Uti lizing automatic flow characteristics of seawaterwhen ship is navigating ahead and achieves a certain speed， steam turbine circulating pump can be shut o f f for saving energy.Based on calculation results of thermodynamics， steam distribution and hydrodynamics characteristics of circulating pump，simulation model of control system for seawater circulating pump was built with AMESim software.The comparison between steady condition simulation and test data shows that the relative error is less than 3.4%， and simulation analysis of dynamic process of seawater circulating pump under automatic flow was carried out based on the model.The results could provide some valuable references for operation， maintenance supportand testbed developmentof seawater circulating pump，and upgrad ing of control system.

steam turbine；circulating pump；automatic flow；simulation

U664.121

A

1673－3185（2011）06－88－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.018

2011-03-15

孙长江（1976－），男，硕士，工程师。研究方向：舰船动力系统及控制。E-mail：scj4＠163.com

吴 炜（1978-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶动力装置。