深海通海阀开启力仿真与试验

刘少刚，郑大勇，潘方冬，程千驹

(哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

随着我国海洋石油开采走向深海，相应的辅助检查、维修与探测的潜器也得到了相应的发展。通海阀可通过开闭对压载水舱进行注水和排水，其工作性能好坏对于潜器的上浮、下沉及平衡都起着至关重要的作用。通海阀开启方向有内开和外开，一般采用机械传动或是液压方法进行开闭。深海通海阀工作时入口压力大，为了减小开启力多采用先导式结构。

对于阀门的研究，随着CFD仿真技术的发展，国内外学者运用CFD技术及有限元方法分别建立了液压锥阀、球阀、蝶阀等的模型［1-3］，对船用通海阀在不同开度和流量下的阀腔内速度场和压力场进行了分析［4］，对潜用通海阀的内流道基于降低噪声目的进行了优化［5］。在阀门启闭方面，用CFD分析对截止阀开启与闭合过程中的阀内速度、压力分布及压头损失进行了模拟［6］，基于动网格方法对截止阀启闭过程进行了全三维湍流数值模拟，得出流体挤压效应是影响截止阀性能的主要原因［7］，建立了水压机大流量水阀的数学模型，分析阀芯开启速度、开启高度、工作水压、水阀内泄漏等各种因素对水阀开启力的影响［8］，给出了阀门扭矩连续测试实验装置［9］。

本文基于以上研究并结合所研究通海阀特点，针对某型深海通海阀启闭力问题，通过仿真及静压实验台上的带压开启实验，对其开启力进行了研究。

1 深海通海阀模型的建立

1.1 深海通海阀几何结构

深海通海阀结构如图1所示。其用电动机通过减速器与电磁离合器带动小齿轮，小齿轮带动大齿轮。

大齿轮通过矩形螺纹与阀杆相连接，并把大齿轮的旋转转化为阀杆的上下移动，实现通海阀的开闭。同时当离合器处于打开状态时减速器电动机与小齿轮轴脱离，此时可以用手轮扭转小齿轮并带动大齿轮实现阀门开闭。开阀时阀杆先向下移动打开先导孔使入口的海水进入到活塞上面的储水室内，阀杆继续向下移动顶起阀盘使阀门慢慢打开。阀杆组件如图2所示。

先导孔打开后阀门入口处的海水沿先导孔进入到储水室，水压作用在减压面上产生向下的帮助阀门开启的力。由图2可知减压面实际作用面积可用下式计算:

式中:S3为减压面的面积，S1为活塞承压面横截面积，S2为阀杆的横截面积。

图1 深海通海阀结构图Fig.1 Structural diagram of the deep diving outboard valve

图2 通海阀阀杆主视图Fig.2 Front view of the outboard valve stem

1.2 数值模型

1)流体基本控制方程。

在没有分支流道中，流体由入口进入流道中，就会有相应的流体通过出口流出流道，在整个过程中流道内部的流体的总质量会有相应的增减。根据能量守恒定律，流道中总质量的增量等于入口流入的质量减去出口流出质量［10］，因此可以得到连续性方程为

式中:V为控制体，A为控制面。

由高斯公式积分可得，笛卡尔标系下其微分形式为

由于本研究的液体为不可压缩流体且密度为常数，所以简化公式为

相应的在柱坐标系下方程可简化为

2)动量守恒方程。

对于流体而言动量守恒方程的意义是作用在流体上的合力冲量等于物体动量变化。其数学方程表示就为动量守恒方程，用微分方式表示为

式中:Fbx、Fby、Fbz为单位质量流体上直角坐标系下的质量力，pyx为流体内应力对应张量的分量。

动量守恒方程针对不同的研究对象有不同的形式，以下几种方程为根据流体的压缩性以及粘性划分。

当流体粘度系数为常数时动量守恒定律为

当流体粘度系数与密度都一定时，动量守恒定律为

3)能量守恒方程。

利用热力学定律推导的流体运动能量方程为

式中:keff为有效的热传导系数，Sh为实际使用中化学反应热热源项，Jj'为组分j的扩散流量。

采用浸入体分析方法仿真分析时，在考虑浸入弹性边界的粘性及不可压缩流场时，基本控制方程组为［11］

式中:u是流场速度，p是流场压力，t是时间，ρ是流体的密度，μ是流体动力粘度，F为边界力源。

2 通海阀数值分析计算方法

2.1 有限元网格模型的建立

在Pro/E中分别建立阀杆及流域简化模型，并将它们按正确的分析初始位置进行装配，将装配体文件导出。以最大网格40 mm进行划分，网格划分方式:Proximity and Cnrvature，网格质量在0.7以下。

2.2 边界条件的建立

分析中使用的流体介质是海水，它是不可压缩粘性、牛顿流体，因管内流道复杂流体状态为湍流，所以本算例选用适合于工程问题的k-ε湍流模型［12］。进口采用压力入口，出口采用压力出口，流体密度为1 025 kg/m3，海水动力粘度为0.001 054 kg/ms［4］。由于粘性流体在管壁边界处或阀门阀头处速度的边界条件要满足无滑移条件，因此取固壁上的速度U=0。我国的海洋开采多在500 m水深以上，入口压力取5 MPa。

2.3 计算过程控制

通海阀在工作时进水口存在平稳的水压，因此求解分析过程分2步进行，前2 s使阀杆不动，进水口给压分析，模拟阀外平稳压力，然后再更改参数至正常阀门开启时值继续分析。

通海阀启闭行程为51 mm，假设开关阀速度为3 mm/s，由此得开阀时间为17 s。考虑到分析结果数据的密度及计算机性能，取每0.05 s进行一个时间步，求解输出阀杆轴向力。阀杆采用浸入体域和切除体2种方式分析。

2.4 仿真结果分析

运用CFX-Post函数提取及导出命令将开关阀时阀杆轴向受力情况进行导出，并将关阀时输出阀杆力与开阀时相同开启度阀杆力对应，并将它们分别绘制在一个图中如图3所示。

图3 先导式通海阀开关阀过程的阀杆轴向受力Fig.3 The axial force exerted on valve stem of pilot operated outboard valve when it is being opened and closed

从图3可以看出开关阀过程中阀杆轴向力在相同开启位置时值非常接近，开阀初始位置的阀杆轴向力为32 493.8 N，完全开启位置阀杆轴向力为10 430.7 N，关阀初始位置阀杆轴向力为10 235.2 N，完全关闭后阀杆轴向力为33 013.4 N。

图4所示为先导式通海阀开启过程程中流场流速情况，由图可知阀杆周围的流速都在2 m/s左右，与开阀速度3.5 mm/s相比很小，因此开阀时阀杆移动对阀杆轴向受力的影响非常小，所以图3中开关阀过程的阀杆力非常相近。

图4 先导式通海阀开阀过程中截面流场流速Fig.4 The flow velocity of cross section of pilot operated outboard valve when it is being opened

如图5所示为不同结构及分析方法下深海通海阀开阀阀杆轴向力分析，分析图内3条曲线可知，无先导结构时初始阶段阀杆轴向力下降的快，有先导孔结构在整个开启过程阀杆轴向力变化相对平稳。无先导孔结构在初始开阀瞬间阀杆轴向力为64 334.7 N;有先导孔结构在开启初始瞬间阀杆轴向力为32 724.1 N，约为不带先导孔结构的阀杆轴向力的1/2。同时无先导孔式结构阀杆力开启度到15 mm后与先导式结构的开启力最大值相等。

图5 不同分析方法分析结果比较Fig.5 The comparison of analysis results acquired by different analysis methods

2.5 阀门开启瞬间力计算

通海阀阀杆主视图如图2所示，阀门实际开启时平衡压力面上的水压力与阀门入水口处相同，阀杆实际受水压作用面积应为阀盘最大横截面积减去平衡压力面面积，结合式(1)可得如式(14)计算阀杆静压力公式。

式中:S4是阀盘最大横截面积;P为通海阀入水口压力，取为5 MPa。式中其他各参数值如表1所示。

表1 深海通海阀设计参数Table 1 The design parameters of the deep diving outboard valve

将表1中各参数值代入(14)式求得F值为32 500 N。当不带先导孔时密封面开启瞬间阀杆轴向力F1可通过式(15)计算。

将表1中已知量代入式(15)计算得无先导孔下轴向力F1值为64 500 N，2种结构下的计算结果与仿真分析结果存在的误差在软件计算误差范围内。

3 实验分析

采用弗赛特WHT-30-D-A/150型液压阀门试验台对深海通海阀完全关闭状态下的极限工作压力条件开启力进行测试，实验设备如图6所示。实验过程中，在手轮处做一个可将扭力板手与小齿轮手轮连接处相连接的连接套，使阀门可以用扭矩板手手动开启。

实验过程:首先，将通海阀装静压实验台上，如图6所示，使电磁离合器处于脱离状态，然后用设计预紧力关闭通海阀，进行打压检查阀门密封是否完好，确认阀门无泄漏后，接下来用扭力板手手动开阀并记录过程中最大数据。进行多次实验取平均值，各次实验结果及平均值如表2所示。

图6 通海阀开启力实验装置Fig.6 The testing apparatus on opening force of outboard valve

表2 深海通海阀开启扭矩值Table 2 The opening force of the deep diving outboard valve N·m

通过式(16)可以求出测得转矩的平均值TP:

将表2中已知量代入式(16)得TP=(42.5+37.5+40+35)÷4=38.75 N·m。由于传动系统存在齿轮传动，其设计效率值为0.95，则其最大引入误差为2.125 N·m，其值小于测量用扭力板手最小量程5 N·m的1/2，所以此处忽略齿轮传动效率带来误差。

用手动开阀时开阀扭矩与阀杆受力之间的关系可用下面方程组［13］行求解:

式中:i是齿轮转动比，其值为3;T是开阀力矩;ψ是螺纹升角;Pl是螺距，其值7 mm;d2是螺纹中径，其值为40.5 mm;fv是当量摩擦系数;f是静摩擦系数，值取0.11;β是牙侧角，其值为15o;ρ'是当量摩擦角;F是阀杆轴向力，其值为32 500 N。

将各已知参数代入方程组中求得开阀力矩T=37.547 1 N·m，与实验测得开启力TP=38.75 N·m，误差1.202 9 N·m，其结果在允许误差范围内。实验结果表明，以上的理论与仿真分析所得的先导式深海通海阀最大开启力相符。

4 结论

本文基于CFX仿真及静压条件下的带压开启实验对深海通海阀的开启力进行了研究，实验与仿真结果相符。由研究结果可得出如下结论:

1)先导式结构的存在可以有效减小开阀力，针对所分析的深海通海阀可以使最大开启力减小一半;

2)开启过程中先导孔一直起着减少开启力的作用，同时其作用效果的好坏由减压面面积大小决定;

3)所分析的深海通海阀带先导孔结构时阀杆力变化相对平稳，开关阀过程阀杆轴向受力相近。

由于实验条件的限制，本文的深海通海阀的开启力实验还有一些不足，仅能证明开启瞬间的开阀力的大小，下一步可以进行装艇在深海条件下进行开启实验来得到更加有力的数据。

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