带弹簧活塞式缓冲器的鱼雷冷却水供应系统仿真

马为峰, 彭 博, 雷云龙, 万荣华, 梁 跃



带弹簧活塞式缓冲器的鱼雷冷却水供应系统仿真

马为峰, 彭 博, 雷云龙, 万荣华, 梁 跃

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075)

为了降低鱼雷冷却水供应分系统压力脉动, 防止振荡加剧, 采用集中参数法建立了带弹簧活塞式缓冲器的鱼雷冷却水供应分系统的压力振荡模型, 应用电液模拟方法得出了使用弹簧活塞式缓冲器后冷却水输送管路系统的频率, 通过试验验证了弹簧活塞式缓冲器在鱼雷能供系统冷却水输送中的降幅变频特性, 获得了很好的降幅效果, 可为缓冲器在鱼雷海水供应中的设计、试验和使用提供参考。

鱼雷; 弹簧活塞式缓冲器; 降幅; 变频

0 引言

鱼雷动力中的冷却水供应系统负责为燃烧室、发电机、燃料泵和发动机等组件提供冷却介质, 是鱼雷动力推进的重要组成部分。冷却水供应系统采用水泵抽吸雷外海水, 增压后冷却相应组件, 进入排气槽与发动机废气混合, 最后排出雷外。

鱼雷工况的变化会引起泵入口的扰动, 加之泵本身会有流量脉动, 因此冷却水供应分系统所供冷却水会在一定幅度内以一定频率连续变化, 在这变化过程中有可能产生系统液路固有频率与结构固有频率耦合的条件, 引发低频振荡, 使系统振动加剧, 振动噪声加大, 严重时可能导致管路或接头的断裂。国内某型产品在进行功率试验时, 冷却水供应分系统出现了振荡现象, 虽未导致管路或接头断裂, 但存在特定时间段内振荡加剧现象。因此结合现有产品, 对冷却水供应分系统液路固有频率进行分析, 安装弹簧活塞式缓冲器, 对降低压力脉动幅值, 改变能供系统输送管路固有频率, 避开冷却水供应分系统液路固有频率与结构固有频率耦合, 防止振荡加剧具有极其重要的意义。

本文采用集中参数法建立了振荡情况下冷却水供应分系统输送管路的压力振荡仿真模型, 采用电液模拟方法得出了使用弹簧活塞式缓冲器后输送管路的固有频率, 为动力系统减小压力振荡和优化提供了方法和手段。使用弹簧活塞式缓冲器的陆上动力系统功率试验也表明, 在冷却水供应分系统安装缓冲器会降低冷却水压力振荡幅值, 避免冷却水供应分系统液路固有频率与结构固有频率发生耦合。

1 数学模型的建立

缓冲器的作用原理: 利用机械管路与电路的相似性, 在液压管路中装上缓冲器, 使其具有相应的“流容”和“流感”, 达到使液压管路系统稳定的目的。弹簧活塞式缓冲器利用弹簧活塞装置提供所要求的弹性, 以缓冲来自供应系统的压力振荡的冲击作用。陆上功率试验时, 冷却水供应系统可以简化为由水源到弹簧活塞式缓冲器的管路, 组成示意如图1所示, 其中, 管路1为弹簧活塞式缓冲器、弹簧活塞式缓冲器到泵入口的管路; 管路2为泵管路, 管路3为泵后管路。负载以节流阀代替。

根据弹簧活塞式缓冲器的工作原理, 并考虑冷却水的压缩效应可得如下方程

(2)

(3)

式中:为缓冲器的位移;为缓冲器阀芯系统的质量;F和F分别为缓冲器所受到的冷却水作用力和弹簧力;和分别为流入和流出缓冲器的流量;和分别为泵的流量因子和转速;和分别为节流阀流量因子和前后压降;和分别为燃料的有效容积模量和密度;为阻尼系数;为冷却水填充的缓冲器和相应管路部分的容积;为泵后节流阀前的管路压力。

2 仿真结果与分析

本文采用MATLAB的Simulink工具箱建模, 算法采用4阶龙格库塔法, 步长取0.000 1 s。初始条件取各变量的稳态值。为了模拟振荡, 参考功率试验数据, 选择流入缓冲器的流量在特定时刻开始振荡, 振荡幅值为稳态值的10%。则在振荡影响下, 使用缓冲器和不使用缓冲器2种情况下的压力仿真无量纲曲线如图2所示。在图2中, 纵坐标位压力瞬态值与稳态值的比值, 横坐标为时间, 细实线为不使用缓冲器情况下的压力振荡曲线, 粗实线为使用缓冲器后的压力振荡曲线。由图2可见, 缓冲器对系统压力振荡具有较好的降幅作用。

2.1 缓冲器弹簧刚度对压力振荡幅值的影响

对于弹簧活塞式缓冲器而言, 弹簧刚度对降低振荡幅值具有重要作用。泵后节流阀前的管路压力振荡的幅值与弹簧刚度的关系如图3所示。图3中, 纵坐标为压力振荡幅值与稳态值的比值。由图3可知, 随着弹簧刚度的增加, 压力振荡幅值逐渐变大。弹簧刚度增加到一定程度后, 压力振荡幅值基本维持在恒定值。在一定范围内, 为了更好的削弱振荡幅值需要减小弹簧刚度。减小的幅度需要结合动力系统的振荡频率而定, 以防引起系统共振。

2.2 缓冲器活塞直径对压力振荡幅值的影响

缓冲器的活塞直径决定了缓冲器的大小, 也决定了振荡发生时缓冲能力的大小。泵后节流阀前的管路压力的振荡幅值与活塞直径的关系如图4所示。图4中, 纵坐标为压力振荡幅值与稳态值的比值。由图4可知, 在一定范围内, 为了更好地削弱振荡幅值, 需要加大活塞直径。增加的幅度需要结合动力系统的空间和重量等约束而定。

2.3 缓冲器对管路频率的影响

应用电液模拟方法, 将液压环节或系统转变为结构和特性类似的电环节或电系统。对于流感和流容串联线路来说, 其示意如图5所示。图中:为流量;D为压力变化;Dp为由流感引起的压力变化;D为由流容引起的压力变化。

由图5可知

即

(6)

由此可得不装缓冲器时输送管路1阶固有频率为

(8)

装缓冲器的输送管路的1阶固有频率

装缓冲器的输送管路的2阶固有频率

(10)

缓冲器的固有频率为

由以上公式可以得出:

1) 输送管路的1阶固有频率和2阶固有频率与缓冲器流容、流感、管路流感有关。适当增加缓冲器的流容可以降低输送管路的1阶固有频率, 使它与结构1阶频率分离开。选择较小的缓冲器等效流感、泵到缓冲器之间的管道的等效流感, 可以提高装缓冲器输送管路的2阶固有频率, 也可使它与结构2阶频率分离开。

2) 缓冲器流容的改变可以通过改变缓冲器工作参数进行调节。

3 试验

未装缓冲器和装有弹簧活塞式缓冲器在功率试验中的不同速制情况下的海水压力振荡无量纲曲线如图6所示。试验结果证明, 不同工况下, 弹簧活塞式缓冲器具有良好的降幅效果。

4 结论

综合以上仿真分析和试验结果, 可以得出以下结论。

1) 弹簧活塞式缓冲器可以降低压力振荡的幅值(即降幅效果)。减小弹簧刚度和增大活塞直径, 有助于降低压力振荡的幅值。

2) 弹簧活塞式缓冲器可以改变系统频率, 使其远离结构共振频率(即变频效果), 减少低频振荡的发生。

3) 安装弹簧活塞式缓冲器, 可以改善动力装置的振动及其噪声, 保证动力装置的可靠稳定工作。

4) 所建的鱼雷冷却水供应分系统的压力振荡模型与冷却水输送管路的固有频率模型可用于指导试验验证, 对鱼雷燃料供应系统的优化改进也有借鉴作用。

[1] 马为峰. 某轻型鱼雷动力系统换速过程仿真分析[C]//水中兵器学委会鱼雷动力学组学术交流会, 2006: 314- 318.

[2] 蔡廷文. 液压系统现代建模方法[M]. 北京: 中国标准出版社, 2002.

[3] 刘国球. 液体火箭发动机原理[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2005.

[4] 张育林. 变推力液体火箭发动机及其控制技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2001.

(责任编辑: 陈 曦)

Simulation on Torpedo Water Cooling Support System with a Spring Piston Damper

MA Wei-feng, PENG Bo, LEI Yun-long, WAN Rong-hua, LIANG Yue

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To reduce the pressure oscillation of torpedo water cooling subsystem and avoid oscillation aggravation, a pressure oscillation model for torpedo water cooling support subsystem with a spring piston damper is established byusing centralized parameter method. The frequency of the water cooling system with a spring piston damper is obtained by electro-hydraulic analogy. Experimental results verify that the spring piston damper can reduce pressure oscillation amplitude and change frequency of the water cooling system.

torpedo; spring piston damper; oscillation amplitude reduction; frequency conversion

TJ630.32; TM46

A

1673-1948(2013)03-0202-04

2013-01-06;

2013-02-26.

马为峰(1977-), 男, 硕士, 高工, 主要研究方向为鱼雷热动力总体技术.