深海通海閥開啟力仿真與試驗(yàn)

劉少剛，鄭大勇，潘方冬，程千駒

(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

隨著我國海洋石油開采走向深海，相應(yīng)的輔助檢查、維修與探測(cè)的潛器也得到了相應(yīng)的發(fā)展。通海閥可通過開閉對(duì)壓載水艙進(jìn)行注水和排水，其工作性能好壞對(duì)于潛器的上浮、下沉及平衡都起著至關(guān)重要的作用。通海閥開啟方向有內(nèi)開和外開，一般采用機(jī)械傳動(dòng)或是液壓方法進(jìn)行開閉。深海通海閥工作時(shí)入口壓力大，為了減小開啟力多采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)。

對(duì)于閥門的研究，隨著CFD仿真技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用CFD技術(shù)及有限元方法分別建立了液壓錐閥、球閥、蝶閥等的模型［1-3］，對(duì)船用通海閥在不同開度和流量下的閥腔內(nèi)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了分析［4］，對(duì)潛用通海閥的內(nèi)流道基于降低噪聲目的進(jìn)行了優(yōu)化［5］。在閥門啟閉方面，用CFD分析對(duì)截止閥開啟與閉合過程中的閥內(nèi)速度、壓力分布及壓頭損失進(jìn)行了模擬［6］，基于動(dòng)網(wǎng)格方法對(duì)截止閥啟閉過程進(jìn)行了全三維湍流數(shù)值模擬，得出流體擠壓效應(yīng)是影響截止閥性能的主要原因［7］，建立了水壓機(jī)大流量水閥的數(shù)學(xué)模型，分析閥芯開啟速度、開啟高度、工作水壓、水閥內(nèi)泄漏等各種因素對(duì)水閥開啟力的影響［8］，給出了閥門扭矩連續(xù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置［9］。

本文基于以上研究并結(jié)合所研究通海閥特點(diǎn)，針對(duì)某型深海通海閥啟閉力問題，通過仿真及靜壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的帶壓開啟實(shí)驗(yàn)，對(duì)其開啟力進(jìn)行了研究。

1 深海通海閥模型的建立

1.1 深海通海閥幾何結(jié)構(gòu)

深海通海閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。其用電動(dòng)機(jī)通過減速器與電磁離合器帶動(dòng)小齒輪，小齒輪帶動(dòng)大齒輪。

大齒輪通過矩形螺紋與閥桿相連接，并把大齒輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為閥桿的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)通海閥的開閉。同時(shí)當(dāng)離合器處于打開狀態(tài)時(shí)減速器電動(dòng)機(jī)與小齒輪軸脫離，此時(shí)可以用手輪扭轉(zhuǎn)小齒輪并帶動(dòng)大齒輪實(shí)現(xiàn)閥門開閉。開閥時(shí)閥桿先向下移動(dòng)打開先導(dǎo)孔使入口的海水進(jìn)入到活塞上面的儲(chǔ)水室內(nèi)，閥桿繼續(xù)向下移動(dòng)頂起閥盤使閥門慢慢打開。閥桿組件如圖2所示。

先導(dǎo)孔打開后閥門入口處的海水沿先導(dǎo)孔進(jìn)入到儲(chǔ)水室，水壓作用在減壓面上產(chǎn)生向下的幫助閥門開啟的力。由圖2可知減壓面實(shí)際作用面積可用下式計(jì)算:

式中:S3為減壓面的面積，S1為活塞承壓面橫截面積，S2為閥桿的橫截面積。

圖1 深海通海閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of the deep diving outboard valve

圖2 通海閥閥桿主視圖Fig.2 Front view of the outboard valve stem

1.2 數(shù)值模型

1)流體基本控制方程。

在沒有分支流道中，流體由入口進(jìn)入流道中，就會(huì)有相應(yīng)的流體通過出口流出流道，在整個(gè)過程中流道內(nèi)部的流體的總質(zhì)量會(huì)有相應(yīng)的增減。根據(jù)能量守恒定律，流道中總質(zhì)量的增量等于入口流入的質(zhì)量減去出口流出質(zhì)量［10］，因此可以得到連續(xù)性方程為

式中:V為控制體，A為控制面。

由高斯公式積分可得，笛卡爾標(biāo)系下其微分形式為

由于本研究的液體為不可壓縮流體且密度為常數(shù)，所以簡(jiǎn)化公式為

相應(yīng)的在柱坐標(biāo)系下方程可簡(jiǎn)化為

2)動(dòng)量守恒方程。

對(duì)于流體而言動(dòng)量守恒方程的意義是作用在流體上的合力沖量等于物體動(dòng)量變化。其數(shù)學(xué)方程表示就為動(dòng)量守恒方程，用微分方式表示為

式中:Fbx、Fby、Fbz為單位質(zhì)量流體上直角坐標(biāo)系下的質(zhì)量力，pyx為流體內(nèi)應(yīng)力對(duì)應(yīng)張量的分量。

動(dòng)量守恒方程針對(duì)不同的研究對(duì)象有不同的形式，以下幾種方程為根據(jù)流體的壓縮性以及粘性劃分。

當(dāng)流體粘度系數(shù)為常數(shù)時(shí)動(dòng)量守恒定律為

當(dāng)流體粘度系數(shù)與密度都一定時(shí)，動(dòng)量守恒定律為

3)能量守恒方程。

利用熱力學(xué)定律推導(dǎo)的流體運(yùn)動(dòng)能量方程為

式中:keff為有效的熱傳導(dǎo)系數(shù)，Sh為實(shí)際使用中化學(xué)反應(yīng)熱熱源項(xiàng)，Jj'為組分j的擴(kuò)散流量。

采用浸入體分析方法仿真分析時(shí)，在考慮浸入彈性邊界的粘性及不可壓縮流場(chǎng)時(shí)，基本控制方程組為［11］

式中:u是流場(chǎng)速度，p是流場(chǎng)壓力，t是時(shí)間，ρ是流體的密度，μ是流體動(dòng)力粘度，F(xiàn)為邊界力源。

2 通海閥數(shù)值分析計(jì)算方法

2.1 有限元網(wǎng)格模型的建立

在Pro/E中分別建立閥桿及流域簡(jiǎn)化模型，并將它們按正確的分析初始位置進(jìn)行裝配，將裝配體文件導(dǎo)出。以最大網(wǎng)格40 mm進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分方式:Proximity and Cnrvature，網(wǎng)格質(zhì)量在0.7以下。

2.2 邊界條件的建立

分析中使用的流體介質(zhì)是海水，它是不可壓縮粘性、牛頓流體，因管內(nèi)流道復(fù)雜流體狀態(tài)為湍流，所以本算例選用適合于工程問題的k-ε湍流模型［12］。進(jìn)口采用壓力入口，出口采用壓力出口，流體密度為1 025 kg/m3，海水動(dòng)力粘度為0.001 054 kg/ms［4］。由于粘性流體在管壁邊界處或閥門閥頭處速度的邊界條件要滿足無滑移條件，因此取固壁上的速度U=0。我國的海洋開采多在500 m水深以上，入口壓力取5 MPa。

2.3 計(jì)算過程控制

通海閥在工作時(shí)進(jìn)水口存在平穩(wěn)的水壓，因此求解分析過程分2步進(jìn)行，前2 s使閥桿不動(dòng)，進(jìn)水口給壓分析，模擬閥外平穩(wěn)壓力，然后再更改參數(shù)至正常閥門開啟時(shí)值繼續(xù)分析。

通海閥啟閉行程為51 mm，假設(shè)開關(guān)閥速度為3 mm/s，由此得開閥時(shí)間為17 s?？紤]到分析結(jié)果數(shù)據(jù)的密度及計(jì)算機(jī)性能，取每0.05 s進(jìn)行一個(gè)時(shí)間步，求解輸出閥桿軸向力。閥桿采用浸入體域和切除體2種方式分析。

2.4 仿真結(jié)果分析

運(yùn)用CFX-Post函數(shù)提取及導(dǎo)出命令將開關(guān)閥時(shí)閥桿軸向受力情況進(jìn)行導(dǎo)出，并將關(guān)閥時(shí)輸出閥桿力與開閥時(shí)相同開啟度閥桿力對(duì)應(yīng)，并將它們分別繪制在一個(gè)圖中如圖3所示。

圖3 先導(dǎo)式通海閥開關(guān)閥過程的閥桿軸向受力Fig.3 The axial force exerted on valve stem of pilot operated outboard valve when it is being opened and closed

從圖3可以看出開關(guān)閥過程中閥桿軸向力在相同開啟位置時(shí)值非常接近，開閥初始位置的閥桿軸向力為32 493.8 N，完全開啟位置閥桿軸向力為10 430.7 N，關(guān)閥初始位置閥桿軸向力為10 235.2 N，完全關(guān)閉后閥桿軸向力為33 013.4 N。

圖4所示為先導(dǎo)式通海閥開啟過程程中流場(chǎng)流速情況，由圖可知閥桿周圍的流速都在2 m/s左右，與開閥速度3.5 mm/s相比很小，因此開閥時(shí)閥桿移動(dòng)對(duì)閥桿軸向受力的影響非常小，所以圖3中開關(guān)閥過程的閥桿力非常相近。

圖4 先導(dǎo)式通海閥開閥過程中截面流場(chǎng)流速Fig.4 The flow velocity of cross section of pilot operated outboard valve when it is being opened

如圖5所示為不同結(jié)構(gòu)及分析方法下深海通海閥開閥閥桿軸向力分析，分析圖內(nèi)3條曲線可知，無先導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)初始階段閥桿軸向力下降的快，有先導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)在整個(gè)開啟過程閥桿軸向力變化相對(duì)平穩(wěn)。無先導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)在初始開閥瞬間閥桿軸向力為64 334.7 N;有先導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)在開啟初始瞬間閥桿軸向力為32 724.1 N，約為不帶先導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)的閥桿軸向力的1/2。同時(shí)無先導(dǎo)孔式結(jié)構(gòu)閥桿力開啟度到15 mm后與先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)的開啟力最大值相等。

圖5 不同分析方法分析結(jié)果比較Fig.5 The comparison of analysis results acquired by different analysis methods

2.5 閥門開啟瞬間力計(jì)算

通海閥閥桿主視圖如圖2所示，閥門實(shí)際開啟時(shí)平衡壓力面上的水壓力與閥門入水口處相同，閥桿實(shí)際受水壓作用面積應(yīng)為閥盤最大橫截面積減去平衡壓力面面積，結(jié)合式(1)可得如式(14)計(jì)算閥桿靜壓力公式。

式中:S4是閥盤最大橫截面積;P為通海閥入水口壓力，取為5 MPa。式中其他各參數(shù)值如表1所示。

表1 深海通海閥設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 The design parameters of the deep diving outboard valve

將表1中各參數(shù)值代入(14)式求得F值為32 500 N。當(dāng)不帶先導(dǎo)孔時(shí)密封面開啟瞬間閥桿軸向力F1可通過式(15)計(jì)算。

將表1中已知量代入式(15)計(jì)算得無先導(dǎo)孔下軸向力F1值為64 500 N，2種結(jié)構(gòu)下的計(jì)算結(jié)果與仿真分析結(jié)果存在的誤差在軟件計(jì)算誤差范圍內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

采用弗賽特WHT-30-D-A/150型液壓閥門試驗(yàn)臺(tái)對(duì)深海通海閥完全關(guān)閉狀態(tài)下的極限工作壓力條件開啟力進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖6所示。實(shí)驗(yàn)過程中，在手輪處做一個(gè)可將扭力板手與小齒輪手輪連接處相連接的連接套，使閥門可以用扭矩板手手動(dòng)開啟。

實(shí)驗(yàn)過程:首先，將通海閥裝靜壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，如圖6所示，使電磁離合器處于脫離狀態(tài)，然后用設(shè)計(jì)預(yù)緊力關(guān)閉通海閥，進(jìn)行打壓檢查閥門密封是否完好，確認(rèn)閥門無泄漏后，接下來用扭力板手手動(dòng)開閥并記錄過程中最大數(shù)據(jù)。進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)取平均值，各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果及平均值如表2所示。

圖6 通海閥開啟力實(shí)驗(yàn)裝置Fig.6 The testing apparatus on opening force of outboard valve

表2 深海通海閥開啟扭矩值Table 2 The opening force of the deep diving outboard valve N·m

通過式(16)可以求出測(cè)得轉(zhuǎn)矩的平均值TP:

將表2中已知量代入式(16)得TP=(42.5+37.5+40+35)÷4=38.75 N·m。由于傳動(dòng)系統(tǒng)存在齒輪傳動(dòng)，其設(shè)計(jì)效率值為0.95，則其最大引入誤差為2.125 N·m，其值小于測(cè)量用扭力板手最小量程5 N·m的1/2，所以此處忽略齒輪傳動(dòng)效率帶來誤差。

用手動(dòng)開閥時(shí)開閥扭矩與閥桿受力之間的關(guān)系可用下面方程組［13］行求解:

式中:i是齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)比，其值為3;T是開閥力矩;ψ是螺紋升角;Pl是螺距，其值7 mm;d2是螺紋中徑，其值為40.5 mm;fv是當(dāng)量摩擦系數(shù);f是靜摩擦系數(shù)，值取0.11;β是牙側(cè)角，其值為15o;ρ'是當(dāng)量摩擦角;F是閥桿軸向力，其值為32 500 N。

將各已知參數(shù)代入方程組中求得開閥力矩T=37.547 1 N·m，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得開啟力TP=38.75 N·m，誤差1.202 9 N·m，其結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以上的理論與仿真分析所得的先導(dǎo)式深海通海閥最大開啟力相符。

4 結(jié)論

本文基于CFX仿真及靜壓條件下的帶壓開啟實(shí)驗(yàn)對(duì)深海通海閥的開啟力進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果相符。由研究結(jié)果可得出如下結(jié)論:

1)先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)的存在可以有效減小開閥力，針對(duì)所分析的深海通海閥可以使最大開啟力減小一半;

2)開啟過程中先導(dǎo)孔一直起著減少開啟力的作用，同時(shí)其作用效果的好壞由減壓面面積大小決定;

3)所分析的深海通海閥帶先導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)時(shí)閥桿力變化相對(duì)平穩(wěn)，開關(guān)閥過程閥桿軸向受力相近。

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文的深海通海閥的開啟力實(shí)驗(yàn)還有一些不足，僅能證明開啟瞬間的開閥力的大小，下一步可以進(jìn)行裝艇在深海條件下進(jìn)行開啟實(shí)驗(yàn)來得到更加有力的數(shù)據(jù)。

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