船舶系统设计中调节阀选型要点分析.doc

船舶系统设计中调节阀选型要点分析第4O卷第5期2011年1O月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGVo1.40No.5Oct.2011船舶系统设计中调节阀选型要点分析张红岩,纪静迪.,黄克震.(1.海军装备部,北京100073;2.中国舰船研究设计中心,武汉430064)摘要:简述船舶管路系统中调节阀的工作原理,提出调节阀的结构的型式,流量特性及口径选择在船舶管路系统设计中应遵循的原则,并通过实例对调节阀选型时的相关注意事项作以说明.关键词:调节阀;流量特性;流量系数中图分类号:U664.84文献标志码:A文章编号:16717953(2011)05005904调节阀是船舶自动化控制系统中十分重要且不可或缺的组成部分,正确选择和使用调节阀,直接关系到系统安全.1调节阀选型要点调节阀的计算选型是指在选用调节阀时,通过对流经阀门介质的参数进行计算,确定阀门的流通能力,选择正确的阀门型式,规格等参数l1.1.1调节阀口径的确定首先选定调节阀的类型和特性,之后,进一步确定其尺寸.调节阀口径的选择和确定主要依据阀的流通能力即Cv.通常需进行以下步骤.1)计算流量的确定.根据现有的生产能力,设备负荷及介质状况来计算最大流量Q.在计算c值时应按最大流量来考虑,最大流量考虑过多的余量时,使调节阀口径偏大;这不但造成经济上的浪费,同时使调节阀经常工作在小开度,可调比减小,调节性能变差.2)计算压差的确定.选择调节阀的计算压差主要是根据其管路,设备等组成系统的总压降大小及变化情况来选择,其步骤如下.(1)选择系统的两个恒压点,把离调节阀前后最近且压力基本稳定的两个设备作为系统的计算范围.(2)计算系统内各项局部阻力(除调节阀外)所引起的压力损失的总和Ap,按最大流量分收稿日期:201003一II修回日期:20100406作者简介:张红岩(1978一),男,硕士,1二程师.研究方向:舰船动力装置研究E-mail:yoyomotianlun.com别进行计算,并求出总和.调节阀压差Ap等于系统压差Ap减去系统内除调节阀之外的压力损失声,即一一Apf3)流通能力的计算.选择合适的计算方法,根据已确定的计算流量和计算压差,求值.4)流通能力C值的选用.根据已求得的C,在所选用的产品型号标准系列中选取额定C值,及与之相对应的阀门口径.5)调节阀开度验算.一般要求最大计算流量时的开度不大于95,最小计算流量时的开度不小于10.6)调节阀可调比的验算.调节阀的可调比就是调节阀所控制的最大流量与最小流量之比,也称为可调范围.由于在选择调节阀口径时,额定C值大于计算值,特别是在使用时对最大开度和最小开度的限制,都会使可调比下降.1.2调节阀流量特性的选择调节阀的流量特性反映出介质流过调节阀的相对流量与相对位移(调节阀的相对开度)之间的关系,一般来说改变调节阀的阀心与阀座的流通截面,便可控制流量.为便于分析,先假设阀前后压差不变,然后再引伸到真实情况进行研究.前者称为理想特性,后者称为工作流量特性.理想流量特性又称固有流量特性.它不同于阀的结构特性.阀的结构特性(例如阀门的局部阻力系数),是指阀芯位移与介质通过的截面积之间的关系,不考虑压差的影响,纯粹由阀芯大小和几何形状决定l_3;而理想流量特性则是保证阀前,后压差不变的特性.理想流量特性主要有直线,等百分比(对数),抛物线及快开等4种,见图1.59第5期船海工程第4O卷图1理想流量特性曲线调节阀,全部工艺设备和管路系统上的压差,成为系统总压差.调节阀全开时阀前后压差P与系统总压差Ap之比称为S.调节阀总是与系统管道,设备等连在一起使用,不同工况下配管阻力和设备阻力发生动态变化,产生不同程度畸变,偏离理想特性4.因此,必须根据船舶动力系统设计要求来选择调节阀的理想特性,因S不同,阀的工作特性和理想特性对照见表l.表l阀的工作特性和理想特性对比直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大,过于灵敏容易引起振荡,阀心,阀座极易受到破坏,在s值小,负荷变化大的场合不宜采用.对数调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增加,流量相对变化值是恒定不变的,因此它对负荷波动有较强的适应性,无论在满负荷或半负荷生产时,都能很好地调节,从制造角度来看也并不困难,因此在生产过程中对数特性是应用最广泛的一种.2实例分析船舶给水系统中,给水泵的最小流量一般为其最佳经济流量的3O.若低于这个比例,给水泵有可能由于过热,气蚀而被损坏.因此需要设置再循环旁路系统,将小流量引导回除氧器,船舶给水系统再循环旁路见图2.而在再循环系统中的关键设备就是再循环调节阀.由于在船舶给水系统中,再循环调节阀要承受很大的压差,再循环调节阀工作压差见图3.通常情况下再循环调节阀承受的压差是整个6n从凝水泵来的给水除氧器再循环调节图2船舶给水系统再循环旁路图3再循环调节阀工作压差船舶动力系统的最大压差,因此给水系统再循环调节阀的使用工况极为苛刻.在选择再循环调节阀时,需要注意一下几点.1)阀门压差一般在8MPa左;2)因压差太大,系统可能存在严重的气蚀;3)调节阀在调节过程中开度要在1015,不要使用小于1O的开度进行调节;4)再循环调节阀需要适用于非常大的流量调节范围,同时还要能承受极大的压差.在计算和选取给水系统再循环调节阀的过程中,一定要搞清楚实际的流量参数和压力变化.通常情况下,选型参数表上提供的阀门下游压力就是除氧器.实际上,在选型的过程中还必须考虑到阀门与除氧器之间管路内部的阻力影响和两者之间高度变化所带来的影响,否则可能导致阀门选型的错误.另外,如果没有考虑到阀门下游管道的阻力影响而该阻力又确实存在,则按错误参数选出来的阀门,不是尺寸偏小就是流量特性不能满足系统.二作特性需求.所以,综合多方面因素提出的阀门前后压差参数,对正确选型非常重要.3选型设计过程某船除氧器压力为0.1MPa(绝对压力);给水泵出口压力为8.0MPa,给水温度为104;再船舶系统设计中调节阀选型要点分析张红岩,纪静迪,黄克震循环旁路最大流量为75t/h,旁路管径为70mrn,管道当量长度为55.3rn,初步计算管道阻力为0.18MPa.由此计算出再循环调节阀应承受的压差为7.72MPa.可见,再循环调节阀承受的压差非常大,为防止调节阀在工作过程中介质对阀芯,阀座会产生严重的气蚀,冲蚀,导致整阀的寿命减短.因此现采用4级节流的调节阀,以减小对阀门的损坏,各级节流压差如下:一级节流,压差为7.954.O03.95MPa;二级节流,压差为4.OO一2.20=1.8OMPa;三级节流,压差为2.2Ol100=1.2OMPa四级节流,压差为1.00一O.55=0.45MPa.计算流量为最大旁通流量75t/h.3.1流量系数计算采用国际电工委员会(IEC)推荐的膨胀系数法计算阀门的G值,计算结果流量系数计算见表2.表2流量系数计算表调节阀一级二级三级四级阀门压差/MPa3.75计算流量/(t?h-)75入口压力/MPa7.95入口温度/.C104入口密度/(kg?in)959.0出口压力/MPa4.2临界压力比0.94临界压差/MPa6.18非阻塞流C值14.6O1.80.90.47575754.2O2.401.50104104104957.4956.5956.02.41.51.10.940.940.942.801.170.3721.0829.8344.76阀门多级节流相当于多个阀门串联,则等效后的阀门流量系数为蕊L1/(1/14.6/14.6+1/21.08/21.08+1/29.83/29.83+1/44.76/44.76)告-10.8即阀门的流量系数为1O.8.根据阀门的计算流量系数,查阅调节阀产品规格书,选择额定流量系数为18.5,对应的阀门口径为65mm.3.2开度验算若选择等百分比特性的调节阀,则采用等百分比特陛验算公式,按放大系数法验算开度,R-30.K埘x_1一警一lg一1一ig一84.2若选择直线特性的调节阀,则采用直线特性验算公式.按放大系数法验算开度;Knox-一一58.4185C额定.从开度要求来看,直线特性的调节阀最大开度偏小.3.3可调比验算一般情况下,调节阀在1O以内的调节性能较差.因此调节阀在调节过程中不要使用小于10的开度进行调节.所以当再循环调节阀选择等百分比特性时,可调范围为10.O84.2,可调比则为7.42;而选择直线特性时,可调范围为10.058.4,可调比则为4.84.可见,当再循环调节阀选择直线特性时,其可调范围小于等百分比特性调节阀L引.另外,直线特性调节阀一般适用于压差变化小,可调范围小,基本恒定的系统;等百分比特性的调节阀则与之相反.而本系统中,由于给水泵的压头会随工况发生变化,系统压降不恒定,压差较大,且要求阀门的可调范围也较大.而且,再循环调节阀的S=:=6.85/7.90=0.87.选择等百分比特性调节阀较适合本系统.4结论选择再循环调节阀口径为65mm,流量系数为18.5,流量特性为等百分比的调节阀.对选定的调节阀进行试验,结果表明所选择的调节阀能够满足系统运行要求.参考文献E1明赐东.调节阀选型指南M7.成都:四川科学技术出版社,1996.E2陆陪文.调节阀实用技术M.北京:机械工业出版社,2006.3刘凯.调节阀的应用及发展趋势J.管道技术与设备,2008(2):30-31.4吴国熙.调节阀使用与维修M_北京:化学工业出版社,1999.Es明赐东.调节阀应用1000问M.北京:化学工业出版社,2009.(下转第64页)61第5期船海工程第4O卷同一个水平位置,而是呈曲线状态.这也就是轴系的合理校中,中间轴承和前面4个轴承位置都在理论中心线以下.由表2可见,优化之后的艉轴承的支承反力由原来的263kN下降到232kN,轴承负荷减轻了11.7,艉轴承的承载能力提高.同时,艉管前轴承负荷增加,推力轴承和主轴承负荷均匀,整个轴系负荷更为合理,使整个轴系以更加良好的状态运行.2)艉轴承反力与迭代次数的关系.艉轴承反力也就是目标函数,查看目标函数与迭代次数的关系,可以反映目标函数随着迭代次数收敛的速度和目标函数本身变化的趋势,见图3.f|fffff59】3172l2529333741迭代次数图3艉轴承支承反力与迭代次数关系由图3可以看出,梯度寻优是一种快速寻优方式,艉轴承反力随着迭代次数增加,以较快的速度趋于平缓,在满足约束的条件下,该算法大概通过5次迭代基本锁定最优解的位置,快速进入收敛区域,进行精确定位.通过零阶优化之后,梯度寻优大大节省了求解时间,提高求解效率,提高求解精度.4结论1)以36000t散货船为研究对象,把有限元方法引入到轴承负荷优化中,采用ANSYS优化模块进行参数化编程,为工程计算提供一种快捷的计算方法.2)在优化过程中,采用零阶优化与梯度寻优相结合的方法,避免了常规优化陷入局部死循环的问题,可提高优化的精度和速度.参考文献Eli曹学涛.基于ANSYS的船舶轴系校中的双向优化研究EJ.造船技术,2009(3):1113.2张军,张维英,唐士岭.MATIAB在船舶轴系校中设计中的应用I-J.船舶,2003(5):4648.3中国船级社.国内航行海船建造规范2006Es.北京:人民交通出版社,2006.Load0ptimizationofMarineSternTubeBearingBasedontheFiniteElementMethodWEIYing-chun,YANGChuangz(1WuhanRuleandRegulationResearchInstitute,ChinaClassificationSociety,Wuhan430022,China;2ChinaCommunicationPress,Beijing100011,China)Abstract:Basedonthefiniteelementmethod,theloadoptimizationmodelofthesterntubebearingwassetup.Thechoiceprinciplesandinfluencefactorsoftheobjectivefunction,constraintsanddesignvariableinthecourseoftheloadoptimizationwerediscussedabout.LoadoptimizationresultsbytheAPDLprogramshowedthatthesterntubebearingloadcanbeloweredabout11,whichcanreducewearofthesterntubebearingandincreasebearingSlife.Keywords:thefiniteelementmethod;thesterntubebearing;optimization(上接第61页)OntheKeyPointsofControlValueSelectioninShipPipelineSystemDesignZHANGHong-yan,JIJing-di,HUANGKe-zhen(1NavyArmamentsDepartment,Beijing100073,China;2ChinaShipDesignandResearchCenter,Wuhan430064,China)Abstract:Theoperatingprinciplewasbrieflyintroduced.Theselectionprincipleofstructurestyle,flowcharacteristic,diameterofthecontrolvaluewasdescribedespecially.Thepaperalsoexplainedsomeitemsshouldbepaidattentiontoincontrolvalueselectionbypracticalexample.Keywords:controlvalue;flowcharacteristic;flowcoefficient64O5O5O5O5O5OO752O752O75532O8765323333323222222222222222N/憾