泵阀调水系统管路冲击特性试验研究

韩宗真，彭 贝，李 罡，潘永军，陈跃生

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

泵阀系统广泛应用于船舶横倾平衡控制[1]、纵倾平衡控制[2]、浮力调整[3]（均衡泵排水、舱底泵排水），当船舶角度超过预先设定限值时，控制器控制平衡水泵启动、蝶阀开启，调拨前/后、左/右平衡水舱的水量，使平衡水舱中水的重量发生相应的改变，从而产生与船舶倾斜相反的力矩来纠正产生的倾斜。

在流体输送及传动领域，当管路正常流动的液体由于阀门突然关闭，或者泵突然停转而改变原来的流动状态时[4]，会导致管内液体压力突然升高，进而产生管路瞬态压力脉动过程，在水力传输领域通常称为水击[5]。由于压强的交替变化对管壁或阀门、仪表等产生类似于锤击的作用，因此，水击又称为水锤[6]。水击的破坏性受管路中流体的流速、阀门关闭速度等因素的影响，控制阀门启闭速度是一种常用的水击控制措施。本文根据实际工作需求，设计一种在2 个水舱之间动态调水的泵阀系统，根据船舶姿态实时调整2 个水舱之间的水量，保持船舶姿态的动态稳定。系统工作过程中，通过阀门的组合启闭，实现2 个水舱及泵进出口之间的切换。为防止系统工作过程中阀门启闭时出现较大的水击，开展试验研究探索不同阀门启闭速度对应的管路压力脉动特性，为系统技术指标的确定提供支撑。

1 泵阀持续调水系统工作原理

系统原理如图1 所示。在2 个浮力调整水舱外部设置一个离心泵、管路及管路附件，通过1～4 号电液蝶阀的启闭组合，在2 个水舱之间的快速调水，实现对船舶姿态的有效控制。当1 号、4 号电液蝶阀打开时，1 号调整水舱中的海水被调至2 号调整水舱；当2 号、3 号电液蝶阀打开时，2 号调整水舱中的海水被调至1 号调整水舱；当1 号、3 号或者2 号、4 号电液蝶阀同时打开时，海水在一个水舱内部进行循环。电液蝶阀由液压缸、齿轮齿条机构驱动，通过调节液压回路中的单向节流阀开度调整电液蝶阀开关速度。

图1 泵阀调水系统工作原理图Fig.1 Schematic diagram of the pump-valve distribution system

试验室中2 个模拟浮力调整水舱容积均为14 m3，水泵额定流量为900 m3/h、扬程为35 m，1 号、2 号电液蝶阀通径为300 mm，3 号、4 号电液蝶阀通径为250 mm，液压系统管路通径为10 mm，液压源压力等级为10 MPa。

2 试验过程与分析

水锤产生的压力强度与水流速度、阀门启闭时间等因素有关，试验过程中，首先测试泵扬程-流量特性；然后通过调节液压回路上单向节流阀开度，调整电液蝶阀的开关速度，研究不同启闭速度对应的系统管路的水锤特性。

2.1 水泵扬程-流量特性

启动离心泵，改变泵出口调节阀开度，使得泵进出口压差达到约0.4 MPa，即泵工作于额定工况，泵扬程-流量特性如图2 所示。离心泵实际扬程达到约33 m时，流量值达到额定流量900 m3/h，此时泵进、出口管路流速约为3.54 m/s 和5.09 m/s。

图2 系统所用离心泵流量-扬程曲线Fig.2 The pump flow and head curves

2.2 阀门启闭过程管路的压力及流量脉动特性

根据水泵流量-扬程试验结果，改变泵出口2 个调节阀开度，使泵处于额定工作点。根据调水系统实际工作对阀门启闭速度需求，在静态条件下调节电液蝶阀液压回路节流阀开度，使得电液蝶阀启闭时间分别为5 s 和10 s。在不同启闭时间条件下测试阀门启闭过程系统管路的压力特性，通过图1 中泵出口压力传感器及电磁流量计测量系统管路压力及流量变化特性，捕捉压力及流量脉动值。试验结果如图3 和图4 所示。

图3 和图4 分别给出了电液蝶阀启闭过程中泵出口管路流量、压力及扬程曲线，试验过程中，1～4号电液蝶阀启闭顺序为：1号/4号关闭、2号/3号打开→1号/4号打开、2号/3号关闭→1号/4号关闭、2号/3号打开→1号/4号打开、2号/3号关闭→1号/4号关闭、2号/3号打开，图中共给出了5 次切换过程中的试验数据。

图3 启闭时间为5 s 时系统压力、流量变化曲线Fig.3 Perssure and flow curves when the opening/closing time is 5 s

图4 启闭时间为10 s 时系统压力、流量变化曲线Fig.4 Perssure and flow curves when the opening/closing time is 10 s

由图3 和图4 可以得出，启闭时间为5 s 时，管路系统中出现明显的压力、流量振荡。当启闭时间延长至10 s 时，管路切换过程中泵出口压力向小于额定值方向波动，主要原因是进出口阀门在启闭过程中存在关闭、开启角度匹配不一致问题，导致泵出口压力及进出口压差瞬时降低，流量瞬时升高，但是并未出现“水锤”现象。

试验过程中的泵出口压力及流量如表1 所示。可见当阀门开启时间由5 s 变为10 s 时，系统压力和流量波动明显减小。

表1 系统试验过程中关键参数值Tab.1 Key parameters during the experiment

3 结 语

根据试验结果可知，电液蝶阀启闭时间为5 s 时，管路系统出现“水锤”现象，而时间延长至10 s 时，可消除“水锤”现象。因此，选择10 s 启闭速度作为系统调节装置的技术参数。本文研究的泵阀调水系统原理适用于首尾、左右舷、液舱与舷外海水之间的调水过程，可为同类系统设计中阀门启闭速度的设计提供决策依据。