滑油壓力控制閥流動特性分析

2019-06-03 08:29:58倪林森李一興張鯤羽

艦船科學技術 2019年5期

倪林森，李一興，張鯤羽

(上海船舶設備研究所，上海 200031)

0 引言

滑油系統是保證船用汽輪發電機組安全運行的重要系統[1]，滑油壓力控制閥起到調節機組潤滑油流量與壓力的作用，其性能決定滑油系統的可靠性。

滑油壓力控制閥通過改變通流面積實現對出口壓力與流量的控制，其流動特性與通流面積及其內部結構有關[2]。常規測試方法無法獲取閥內流體詳細的流動特性，因而需要CFD仿真技術得到其內部流場詳盡特征[3]。余曉明[4]借助CFD技術，通過改變閥芯型線有效地降低閥內流動阻力。李哲等[5-6]利用動網格方法計算控制閥內部流場，得到壓力控制閥的動態響應特征。控制閥內流體節流效果較為顯著，閥內常發生汽蝕現象，并伴隨振動與噪聲。多級節流技術能有效地降低振動噪聲與預防發生汽蝕[7-8]。

壓力控制閥常為座閥形式，其節流面與密封面為同一工作面，長時間運行導致工作面沖蝕嚴重[9]。本文的滑油壓力控制閥將兩工作面分開，并利用多級孔板節流的原理[10]設計新型壓力控制閥。本文結合CFD方法分析新型滑油壓力控制閥的流動特性。

1 模型及工作原理簡介

如圖1所示，本文的滑油壓力控制閥主要由調節桿、彈簧、滑閥與閥體組成。閥體為一進二出結構：滑油進口，滑油出口與間隙泄漏油出口。滑油進出口的通徑均為100 mm，節流孔的通徑為60 mm。

滑油從進口流經節流孔后進行一級節流降壓，在滑閥上方的封閉腔室混合，然后再流經節流孔板進行二級節流降壓后流出。

圖1 滑油壓力控制閥三維結構Fig.1 Three dimensional structure of lubricating oil control valve

滑閥頂部的彈簧在安裝時設定有預緊力，使閥在未工作狀態完全關閉。閥正常工作時，滑閥底部由于與出口相通，出口的滑油壓力使滑閥豎直向上運動。當彈簧力與油壓力相等時，滑閥處于平衡。當出口油壓增大時，滑閥向上運動，閥內通流面積減小流量壓力減小，從而使出口油壓恢復至設定值，反之出口油壓減小時，閥也呈現該動態調節過程。

2 理論分析與三維仿真分析

2.1 理論分析

滑油壓力控制閥通過小孔節流的原理實現對出口滑油流量與壓力的控制，其主要性能參數如表1所示。閥內流體為68號透平油，其特性參照GB11120-89。

表1 性能參數Tab.1 Performance parameter

滑油壓力控制閥采用多級節流降壓，多級降壓較單級節流具有小壓降、低流速與低損失等特點，圖2為在相同流量條件下，多級節流與單級節流的對比。圖2中橫坐標為閥開度，縱坐標為閥進出口壓差。明顯看出單級節流壓差明顯高于多級節流，單級節流壓差約是多級節流的2倍，隨著開度增加兩者壓差逐漸減小。進出口壓差越大，閥內流速越高，閥內滑油容易發生乳化及氣化現象，對閥與滑油系統都產生不利影響。

圖3為閥進出口壓差恒定時，閥開度與流量的關系曲線，閥最大行程60 mm。

圖2 多級節流與單級節流的對比Fig.2 Comparison of multistage throttle and single stage throttle

圖3 閥門開度與流量關系Fig.3 Relationship between valve opening and flow

可知當壓差恒定時，閥門開度與流量呈線性關系，式（1）為開度與流量擬合曲線。當滑閥開度約20 mm左右，此時流量達到設計流量值600 L/min。

式中：x表示閥開度，mm；y表示流量，L/min。

圖4為流量恒定時，閥開度與進出口壓差的關系曲線圖。可知閥開度小于20 mm時，控制閥進出口壓差隨著開度的增加而大幅減小，但隨著開度繼續增加，此時進出口壓差小幅減小，其關系可用下式表示：

式中：常數a=1×10-6,b=2×10-4,c=1.33×10-2，d=0.344 2，e=3.264 2。

圖4 閥門開度與壓差關系Fig.4 Relationship between valve opening and pressure difference

2.2 三維仿真分析

滑油壓力控制閥內間隙較小泄漏量較少，其泄漏流對閥特性的影響可忽略不計，因此本文三維仿真計算未考慮間隙泄漏。

進口給予流量溫度邊界條件，出口給予靜壓邊界條件，邊界條件具體設定值見表1。湍流模型采用KEpsilon模型。

計算不同閥開度的流場，對比理論計算的結果。圖5為流量600 L/min時，三維仿真與理論計算的對比。可知三維仿真的進出口壓差略低于理論計算，兩者的差值隨著開度的增大而減小，最大差值0.2 MPa。分析其原因：由于理論計算時孔板流量系數參考文獻[11-12]，其值相對較小，尤其在小開度時流量系數更小，因而導致在相同流量時，理論計算的壓差比三維仿真值偏大，且隨著開度的增加兩者差值逐漸減小。

由圖5可知，當閥門開度為20 mm時，滑油壓力控制閥處于正常工作狀態。分析閥內各腔體的流動特性以及流體在腔室內部的降壓過程，截取2個平面，分析在該兩平面上的壓力分布，圖6為2個平面上的靜壓分布。滑油壓力控制閥內部腔室設計為兩進兩出多級節流的結構，通過平面1與平面2靜壓云圖看出滑油先通過節流孔降壓至0.22 MPa，經中間混合腔室后再通過節流孔節流降壓至0.15 MPa。觀察圖6兩平面節流處（圈內）壓力與流線，兩端節流處均未出現局部低壓區域，壓降平緩，臺階處流動無明顯渦旋。

兩平面上湍動能的分布如圖7所示，平面2上湍動能分布可知節流處兩側均為進口，由于滑油經閥內窄通道后進入左側進口腔室，因而左側湍動能較大，部分動能損耗。平面2中間高湍動能區域為進口節流后滑油摻混區域，滑油由于節流后噴射入摻混區域，因而此處湍動能較大，此外由于左側進口滑油部分動能損耗，致使高湍流區未出現在中心。平面1中間腔室兩側湍動能較大由于滑油在中間腔室摻混后經第二級節流孔后噴射出，中間腔室兩側湍動能分布不對稱是由于右側滑油直接至出口而左側滑油需經平面1下方腔室后至出口。圖7平面上高湍動能區較少，出口處湍動能較小，根據該現象可知閥內摻混較弱，出口流體穩定均勻。