海水循環(huán)泵自流特性仿真研究

孫長江 吳 煒 張曉陽 黃衛(wèi)慶

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連 116005

2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

3大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116005

海水循環(huán)泵自流特性仿真研究

孫長江1吳 煒2張曉陽1黃衛(wèi)慶3

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連 116005

2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

3大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116005

利用船舶前進時海水進水口“自流”特性，在船舶達(dá)到一定航速時關(guān)閉循環(huán)泵汽輪機，可以達(dá)到節(jié)能的目的。結(jié)合循環(huán)泵汽輪機的熱力計算、配汽計算、循環(huán)泵水力特性計算的結(jié)果，建立基于AMESim軟件的海水循環(huán)泵及其控制系統(tǒng)仿真模型，考慮船體及主機的慣性，通過穩(wěn)態(tài)工況仿真與試驗數(shù)據(jù)對比驗證了模型的有效性，其相對誤差小于3.4%。利用所建立的模型對“自流”時海水循環(huán)泵的動態(tài)過程進行仿真分析，為海水循環(huán)泵的運行操作、維修保障、試驗臺架建設(shè)以及控制系統(tǒng)升級改造提供了有價值的參考。

汽輪機；循環(huán)泵；自流；仿真

1 引言

以汽輪機為推進動力的船舶上，主要由海水循環(huán)泵向動力系統(tǒng)主冷凝器、滑油冷卻器等設(shè)備提供冷卻海水。船舶在海面航行時，以船為參照物正航時，海水從設(shè)計線型的進水口以一定的動能進入循環(huán)水系統(tǒng)，即產(chǎn)生“自流”。當(dāng)船舶達(dá)到一定航速時，驅(qū)動汽輪機即使不做功，“自流”的海水也可以滿足主動力系統(tǒng)對冷卻水流量的需求。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，提高船舶動力裝置的效率。

仿真技術(shù)以其有效、可重復(fù)操作、經(jīng)濟和安全等優(yōu)點，在大型動力機械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。隨著新技術(shù)在船舶海水循環(huán)泵中的應(yīng)用，其系統(tǒng)在功能日臻完善、優(yōu)化的同時也變得更加復(fù)雜。為了驗證系統(tǒng)的性能，往往需要進行大量的試驗，并且在調(diào)試過程中可能會超過設(shè)備各部套安全極限的限制，甚至發(fā)生事故［2］。AMESim軟件是法國Imagine公司推出的一種用于機、電、液、熱、流體、控制等多學(xué)科仿真的高級建模和仿真軟件［3］，在船舶領(lǐng)域被應(yīng)用于船舶推進系統(tǒng)、伺服機構(gòu)、變距槳以及液壓控制設(shè)備［4-7］等系統(tǒng)或設(shè)備的性能仿真。此外，該仿真軟件也被廣泛應(yīng)用于船舶汽輪機控制系統(tǒng)的優(yōu)化［8］，以及運行人員的培訓(xùn)等。

本文將利用AMESim軟件，建立海水循環(huán)泵及控制系統(tǒng)的仿真模型，在考慮循環(huán)泵進口壓力變化時，將船體及主機的慣性也一并加以考慮，對海水循環(huán)泵的自流特性進行分析。

2 海水循環(huán)泵仿真模型

2.1 海水循環(huán)泵及功能簡介

海水循環(huán)泵主要包括驅(qū)動汽輪機、減速器、循環(huán)泵及控制系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)主要由啟動滑閥、油動機以及閥門等設(shè)備構(gòu)成，受來自主汽輪機組控制系統(tǒng)的正、倒車電液轉(zhuǎn)換器脈沖油壓的控制（由于脈沖油壓與主汽輪機組（以下簡稱“主機”）工況是比例對應(yīng)關(guān)系，以下均以脈沖油壓代替主組工況）。啟動滑閥保證通向油動機的倒車脈沖油管路在正車、停車以及倒車低工況輸出恒定脈沖油壓（以下稱為“啟動壓力”），并在倒車高工況時實現(xiàn)倒車脈沖油壓隨主機工況變化。油動機的工作特點是在停車工況保持某一恒定行程，隨主機正車工況的升高而關(guān)小，隨主機倒車工況的升高而開大。海水循環(huán)泵的運行由控制系統(tǒng)的特性決定，在停車工況，汽輪機保持恒定轉(zhuǎn)速拖動循環(huán)泵轉(zhuǎn)動，并提供一定壓頭和流量的循環(huán)水。在正車工況，隨著主機工況的升高，船舶航速增大，“自流”作用增強，即使在逐步減少驅(qū)動汽輪機進汽量的情況下（驅(qū)動汽輪機功率降低），循環(huán)泵和驅(qū)動汽輪機轉(zhuǎn)速仍會逐步增加，當(dāng)船舶航速達(dá)到一定值時，驅(qū)動汽輪機與循環(huán)泵脫開，完全靠“自流功”推動循環(huán)泵工作，循環(huán)泵轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，而驅(qū)動汽輪機在摩擦及鼓風(fēng)損失等阻力的作用下，逐漸停機；在倒車工況，船舶倒航，隨著航速的增加，在泵入口會形成一定的負(fù)壓，為了保證主機對循環(huán)水量的需求，必須增大驅(qū)動汽輪機的功率。

2.2 海水循環(huán)系統(tǒng)建模

根據(jù)海水循環(huán)泵汽輪機的熱力計算［9－10］、配汽計算、循環(huán)泵水力特性計算以及啟動滑閥和油動機的設(shè)計圖紙，利用AMESim軟件，建立了海水循環(huán)泵及控制系統(tǒng)的仿真模型（圖1）。模型中包括了啟動滑閥、油動機及海水循環(huán)泵本體等幾個部分。啟動滑閥及油動機模型中各參數(shù)的設(shè)置完全依據(jù)啟動滑閥和油動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)置，滑閥套筒間隙按最大值設(shè)置［11］，海水循環(huán)泵本體模型主要依據(jù)汽輪機的熱力計算、配汽計算、循環(huán)泵水力特性計算的結(jié)果，在這些計算的基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)擬合?？紤]到當(dāng)來自主機正倒車控制脈沖油信號變化時，船體航速不會立刻隨之改變，因此，在考慮循環(huán)泵進口壓力變化時，將船體及主機的慣性也一并加以考慮。

圖1 基于AMESim的海水循環(huán)泵仿真模型Fig.1 Simulationmodel of seawater circulating pump based on AMESim software

3 穩(wěn)態(tài)工況仿真與試驗驗證

為了驗證所建立模型的準(zhǔn)確性，將模型中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)工況仿真結(jié)果與各設(shè)備的試驗數(shù)據(jù)進行了比較分析，如表1所示。通過兩者的對比可以看出，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，其相對誤差最大值不超過3.4%，從而證明了所建立模型的正確性。

表1 靜態(tài)仿真與試驗數(shù)據(jù)對比表Tab.1 Data c omparisons of static simulation and experiment al data

4 動態(tài)性能仿真及分析

在生產(chǎn)制造過程中，受試驗條件限制，海水循環(huán)泵一般很難進行動態(tài)試驗，仿真可以在一定程度上彌補這方面的不足。

4.1 主機升速時海水循環(huán)泵動態(tài)過程

正航時，假定主機由停車階躍升負(fù)荷至100%工況。此時，循環(huán)泵油動機正車給定脈沖油壓從0.15 ～0.2 MPa 階躍變化，汽輪循環(huán)泵的動態(tài)響應(yīng)過程如圖2所示。在響應(yīng)的初始階段由于驅(qū)動汽輪機的閥門關(guān)小，而船舶的航速還未來得及改變，循環(huán)泵和驅(qū)動汽輪機的轉(zhuǎn)速略有下降。隨著航速的增加，由于“自流功”的不斷增強，循環(huán)泵和驅(qū)動汽輪機的轉(zhuǎn)速開始上升。當(dāng)減速器輸出軸轉(zhuǎn)速低于循環(huán)泵轉(zhuǎn)速時，兩者脫開。由于與減速器輸出軸脫開導(dǎo)致折算到泵軸的轉(zhuǎn)動慣量急劇降低，循環(huán)泵角加速度增大，循環(huán)泵轉(zhuǎn)速迅速升高。由于循環(huán)泵的阻力矩與轉(zhuǎn)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”逐漸占據(jù)主導(dǎo)，直至循環(huán)泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。而驅(qū)動汽輪機在蒸汽閥門完全關(guān)閉后，在摩擦及鼓風(fēng)損失等阻力的作用下，逐漸停機。船舶階躍加速過程中，流量與主機工況的關(guān)系如圖3所示。

4.2 主機降速時海水循環(huán)泵動態(tài)過程

圖 2 正車 0.15～0.2 MPa 階躍響應(yīng)Fig.2 Step response under ahead condition at0.15～0.2MPa

圖3 循環(huán)泵流量階躍響應(yīng)曲線Fig.3 Step response curve of circulating pump flow rate

正航時，假定主機由100%工況階躍降負(fù)荷至停車。此時，循環(huán)泵油動機正車給定脈沖油壓從0.2～0.15 MPa 階躍變化， 汽輪循環(huán)泵的動態(tài)響應(yīng)過程如圖4所示。隨著給定信號的突變，驅(qū)動汽輪機閥門迅速達(dá)到停車工況的開度，船舶由于慣性很大航速逐步降低。由于驅(qū)動汽輪機工況迅速達(dá)到了停車工況所發(fā)的功率值，而船舶在緩慢減速。當(dāng)驅(qū)動汽輪機與循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速貼合時，驅(qū)動汽輪機和循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速同時升高，并隨船舶航速的逐步降低而下降。船舶階躍降速過程中，循環(huán)泵流量與主機工況的關(guān)系分別如圖5所示。

圖 4 正車 0.2～0.15 MPa 階躍響應(yīng)Fig.4 Step response under ahead condition at 0.2～0.15 MPa

圖5 循環(huán)泵流量階躍響應(yīng)曲線Fig.5 Step response curve of circulating pump flow rate

5 結(jié)論

仿真研究表明，“自流”技術(shù)在滿足船舶對循環(huán)水量需求的同時，可以有效減少對蒸汽的需求，尤其適用于大型船舶。具有“自流”功能的海水循環(huán)泵主要特點為：

1）在主機停車工況，汽輪機具有一定的功率輸出，保證停車工況主動力系統(tǒng)對冷卻水流量的需求；

2）在主機處于正車工況時，隨著正車工況的升高減少驅(qū)動汽輪機的功率輸出，并在自流循環(huán)水量滿足主動力系統(tǒng)需求時，關(guān)閉驅(qū)動汽輪機閥門，使其處于熱態(tài)備機狀態(tài)；

3）在主機處于倒車工況時，隨著倒車工況的升高增加驅(qū)動汽輪機的功率輸出，滿足由于主機工況增加對冷卻海水量的需求；

4）設(shè)有單向超越離合器，實現(xiàn)自流工況下汽輪機（含減速器）與循環(huán)泵之間的自動離合。

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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

孫長江（1976－），男，碩士，工程師。研究方向：艦船動力系統(tǒng)及控制。E-mail：scj4＠163.com

吳 煒（1978-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶動力裝置。