馮 超， 陶 金， 夏華猛， 楊孟子， 劉騰巖

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

0 引 言

船舶、艦船上所用的噴水推進(jìn)裝置通常由進(jìn)口流道、噴水推進(jìn)泵、操作倒航機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)5大部分組成，噴水推進(jìn)泵是該裝置的主體［1］，是一種利用水泵原理改變進(jìn)出口流體動量差產(chǎn)生推力，獲得船舶前進(jìn)動力的推進(jìn)方式［2］。相比螺旋槳推進(jìn)，噴水推進(jìn)有諸多無法比擬的優(yōu)勢，目前在世界各國的高性能船舶、兩棲裝甲車輛及軍用艦船上有廣泛應(yīng)用［3］。

噴水推進(jìn)泵由殼體、動葉輪、后置導(dǎo)葉及附件組成［4］，高速流體在泵中的運(yùn)動、力學(xué)特性十分復(fù)雜。雖然近年來流體數(shù)值分析技術(shù)發(fā)展迅速，但尚不能精確預(yù)測各工況下的水力性能，必須通過臺架試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證［5］。目前大部分噴水推進(jìn)泵水力性能試驗(yàn)臺通過手動控制節(jié)流閥改變泵流量，節(jié)流閥開度大小依靠試驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)確定，流量控制過程不規(guī)范，沒有依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)臺自動化程度較低，對人員依賴性較大，降低了試驗(yàn)精度和可信度，影響噴水推進(jìn)泵水力性能數(shù)值分析驗(yàn)證。

本文研制了一種用于噴水推進(jìn)泵水力性能試驗(yàn)臺的流量控制系統(tǒng)，對泵流量形成精確的閉環(huán)控制，并全自動控制噴水推進(jìn)泵運(yùn)行于各被試流量下。運(yùn)用本系統(tǒng)后試驗(yàn)臺的流量控制精度、自動化程度及試驗(yàn)工作效率得到顯著提高，并保證了試驗(yàn)精度，使數(shù)值分析驗(yàn)證更可信。

1 試驗(yàn)臺流量控制

1.1 流量控制

噴水推進(jìn)泵水力性能試驗(yàn)臺由汽蝕筒、穩(wěn)流筒、試驗(yàn)段、閥門、輔助泵及連接管路等組成。水力循環(huán)系統(tǒng)容量為100 m3，流體通過被試泵驅(qū)動在循環(huán)管路內(nèi)高速流動，試驗(yàn)臺可以完成水力性能、流場測試等試驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 噴水推進(jìn)泵水力性能試驗(yàn)臺示意圖

節(jié)流閥安裝在水力循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，閥芯開度通過遠(yuǎn)程模擬量或開關(guān)量控制。試驗(yàn)過程中試驗(yàn)人員通過肉眼觀察對比測定流量與目標(biāo)流量，反復(fù)多次手動控制一臺節(jié)流閥開度，逐步縮小當(dāng)前流量與目標(biāo)流量差距，當(dāng)試驗(yàn)人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為流量調(diào)節(jié)到位時完成水力性能采集，流量控制過于依賴人員經(jīng)驗(yàn)，而經(jīng)驗(yàn)需要大量流量控制工作積累，限制了控制精度的提高。

1.2 影響流量控制精度的因素

1.2.1 流量控制滯后

噴水推進(jìn)泵出口高速流體經(jīng)過穩(wěn)流筒整流，進(jìn)入流量測量段測定流量值，節(jié)流閥對流量測量段出口流體進(jìn)行調(diào)節(jié)并輸送至泵進(jìn)口，流體經(jīng)泵動葉輪提高動量差后繼續(xù)高速循環(huán)流動［6］。經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)節(jié)的流體不會立即流入噴水推進(jìn)泵進(jìn)口及流量測量段，造成流量控制滯后。

1.2.2 流量測定值波動

相較傳統(tǒng)渦輪流量計等，電磁流量計具備通徑結(jié)構(gòu)，不需要很長的上游直管段即可獲得很好的精度［7］，其測量管內(nèi)無阻礙流動部件，對液流無壓損，測量精度較高、穩(wěn)定性強(qiáng)［8］，大部分噴水推進(jìn)泵水力性能試驗(yàn)臺已使用電磁流量計測定流量值，但電磁流量計對流體中的氣泡比較敏感，氣液兩相流會引起流量測定值小幅度波動。

1.2.3 泵流量波動

噴水推進(jìn)泵運(yùn)行于偏離設(shè)計工況下，動葉輪葉片容易發(fā)生輕微汽蝕，泵內(nèi)流體渦結(jié)構(gòu)增多并且尺度變大，導(dǎo)致泵流量小幅度波動且裹挾微量氣泡［9］，加劇下游電磁流量計測定值波動，影響流量控制精度。

1.2.4 節(jié)流閥空化影響

節(jié)流閥開度小于100%時，高速流動的流體在閥體內(nèi)易發(fā)生空化，產(chǎn)生的氣泡進(jìn)入噴水推進(jìn)泵進(jìn)口，引起泵揚(yáng)程、輸入功率及流量小幅度脈動，導(dǎo)致試驗(yàn)及流量控制精度下降。

1.2.5 節(jié)流閥口徑單一

大部分試驗(yàn)臺水力循環(huán)系統(tǒng)安裝一臺與主管路大致口徑節(jié)流閥，最小調(diào)節(jié)開度為3%～5%，當(dāng)節(jié)流閥口徑太小時流量控制范圍不能涵蓋所有工況，然而節(jié)流閥口徑越大，最小調(diào)節(jié)開度越大，流量控制精度越差。

控制滯后、流量波動、空化影響、節(jié)流閥口徑單一等都是影響流量控制精度的因素，雖然手動流量控制可以人為減少影響因素，但是參雜主觀判斷、受人員經(jīng)驗(yàn)限制，且控制過程不規(guī)范、沒有依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，降低了試驗(yàn)精度和可信度，最終無法準(zhǔn)確驗(yàn)證數(shù)值分析預(yù)報結(jié)果。

2 高精度流量閉環(huán)控制技術(shù)

2.1 技術(shù)方案

2.1.1 間隔流體循環(huán)時間調(diào)節(jié)

根據(jù)測定流量值實(shí)時計算水力循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間［11-12］

式中：V為水力循環(huán)系統(tǒng)容量；Q為測定流量值。

每次調(diào)節(jié)后間隔循環(huán)時間t重新測定流量值，再判斷是否給定調(diào)節(jié)信號，減小控制滯后對控制精度的影響。

2.1.2 降低流量測定誤差

測定誤差由系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差組成［12］，系統(tǒng)誤差通過使用高精度等級測定儀器降低；隨機(jī)誤差由環(huán)境、儀器等不穩(wěn)定因素造成，通過增加測定次數(shù)降低。使用高精度電磁流量計、高速采集板卡及屏蔽信號線，可有效降低流量測定誤差［12］。

2.1.3 流量平均值計算

首先試驗(yàn)臺流量波動幅度必須滿足GB 3216—2016《回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗(yàn)收試驗(yàn)1級、2級和3級》中容許波動幅度≤±3%，否則需在測定儀表或其連接管線中設(shè)置緩沖器，比如對稱或線性緩沖器、毛細(xì)管等［14］。

多次測定流量并計算平均值，減小測定值波動及誤差對控制精度的影響。在流體循環(huán)時間內(nèi)高頻率、多次測定流量值，計算循環(huán)時間內(nèi)流量平均值，根據(jù)平均值是否在目標(biāo)流量附近（±0.01 m3／s），給定流量調(diào)節(jié)信號或到位信號。

2.1.4 流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

使用活塞式流量調(diào)節(jié)閥替代普通節(jié)流閥，由于活塞式流量調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié)方式具有更優(yōu)秀的耐汽蝕特性，在流量調(diào)節(jié)過程中幾乎不產(chǎn)生汽蝕，不會引起出口流體紊流及裹挾大量氣泡［15］，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，降低了流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對下游噴水推進(jìn)泵水力性能的影響。

圖2 活塞式流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1.5 調(diào)節(jié)閥并列安裝

安裝兩臺不同口徑流量調(diào)節(jié)閥（DN600、DN150），完成流量粗調(diào)及微調(diào)功能。兩者串聯(lián)安裝時，上游調(diào)節(jié)閥的出口紊流及微量氣泡會對下游調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生影響，減弱下游調(diào)節(jié)閥的流量控制效果；當(dāng)并列安裝時，如圖3所示，可分別直接對流體進(jìn)行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中各自產(chǎn)生的紊流及微量氣泡不會引起互相干擾，能更精確地分別實(shí)現(xiàn)流量粗調(diào)和微調(diào)，提高流量控制精度。

圖3 兩臺不同口徑調(diào)節(jié)閥并列安裝

2.2 全自動流量閉環(huán)控制流程

與人工流量控制不同，設(shè)置兩臺不同口徑的活塞式流量調(diào)節(jié)閥，分別對當(dāng)前流量進(jìn)行粗調(diào)及微調(diào)，通過粗調(diào)使流量逐步接近目標(biāo)流量，再通過微調(diào)使流量保持在目標(biāo)流量附近小幅波動（±0.01 m3／s），當(dāng)該目標(biāo)流量下的水力性能采集完畢后（本流程不包括水力性能采集功能），進(jìn)入下一個目標(biāo)流量調(diào)節(jié)，根據(jù)上述思路繪制全自動流量控制流程圖，如圖4所示。

圖4 高精度全自動流量控制流程圖

通過間隔流體循環(huán)時間調(diào)節(jié)、降低流量測定誤差、流量平均值計算、使用活塞式流量調(diào)節(jié)閥、并列安裝調(diào)節(jié)閥等技術(shù)方案，形成高精度、全自動流量閉環(huán)控制流程，通過流量測定、計算判斷、粗調(diào)和微調(diào)4個環(huán)節(jié)，有效規(guī)避了控制滯后、流量波動、空化影響、節(jié)流閥口徑單一、參雜主觀判斷、受人員經(jīng)驗(yàn)限制等影響流量控制精度的因素。

3 流量控制系統(tǒng)開發(fā)

流量控制系統(tǒng)由被試泵模塊、流量測定模塊、流量調(diào)節(jié)模塊、控制模塊及循環(huán)管路組成。各模塊及管路在噴水推進(jìn)泵水力性能試驗(yàn)臺的分布如圖5所示。

圖5 各模塊及管路分布示意圖

3.1 被試泵模塊

被試泵模塊包括：噴水推進(jìn)泵和電力驅(qū)動裝置。電力驅(qū)動裝置包括變頻電動機(jī)和變頻器；變頻電動機(jī)通過聯(lián)軸器與噴水推進(jìn)泵連接，用于驅(qū)動噴水推進(jìn)泵至額定轉(zhuǎn)速，噴水推進(jìn)泵安裝于水力循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，用于輸送流體在管路內(nèi)高速流動。

3.2 流量測定模塊

流量測定模塊包括DN400高精度電磁流量計和信號輸出單元。流量計通過第1管路與水力驅(qū)動模塊輸出端連接，并通過第2管路與流量調(diào)節(jié)模塊連接，用于測定噴水推進(jìn)泵流量，信號輸出單元通過屏蔽電纜與流量計連接，用于將流量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號，并輸出至控制模塊。

3.3 流量調(diào)節(jié)模塊

流量調(diào)節(jié)模塊包括DN600、DN150活塞式流量調(diào)節(jié)閥。兩臺流量調(diào)節(jié)閥具備模擬量控制閥芯開度功能，DN600流量調(diào)節(jié)閥用于流量粗調(diào)，DN150流量調(diào)節(jié)閥用于流量微調(diào)，該模塊通過第2管路與流量測定模塊出口連接，用于調(diào)節(jié)噴水推進(jìn)泵流量，并通過第3管路與噴水推進(jìn)泵進(jìn)口連接，用于將調(diào)節(jié)后的流體送回至泵進(jìn)口，兩臺流量調(diào)節(jié)閥并列安裝于第2管路出口與第3管路進(jìn)口之間。

3.4 控制模塊

控制模塊包括模擬量高速采集板卡、模擬量輸出板卡、板卡機(jī)箱和流量控制單元。模擬量高速采集板卡通過雙絞屏蔽線與流量測定模塊的輸出單元連接，并置于板卡機(jī)箱內(nèi)，用于高速采集流量模擬量信號，模擬量輸出板卡通過雙絞屏蔽線與流量調(diào)節(jié)模塊連接，并置于板卡機(jī)箱內(nèi)，用于輸出DN600、DN150流量調(diào)節(jié)閥的模擬量控制信號，板卡機(jī)箱通過網(wǎng)線與流量控制單元連接，用于傳輸模擬量信號，流量控制單元設(shè)置在一臺微機(jī)內(nèi)，通過LabVIEW軟件編程，包括：粗調(diào)控制循環(huán)、微調(diào)控制循環(huán)、循環(huán)時間計算程序、A／D轉(zhuǎn)換程序。

循環(huán)時間計算程序通過測定流量值實(shí)時計算流體循環(huán)時間。A／D轉(zhuǎn)換程序通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，用于將流量模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，并輸出至粗調(diào)控制循環(huán)及微調(diào)控制循環(huán)。

3.4.1 粗調(diào)控制循環(huán)

粗調(diào)控制循環(huán)通過給定模擬量信號，用于控制DN600流量調(diào)節(jié)閥，流量測定值小于目標(biāo)流量時，控制增加開度2%；反之，減小開度2%，等待流體循環(huán)時間后重新測定流量值，當(dāng)流量值接近目標(biāo)流量（±0.04 m3／s），停止粗調(diào)控制循環(huán)并進(jìn)入微調(diào)控制循環(huán)。

3.4.2 微調(diào)控制循環(huán)

微調(diào)控制循環(huán)通過給定模擬量信號，用于控制DN150流量調(diào)節(jié)閥加、減開度1%，最終使泵流量在目標(biāo)流量附近小幅波動（±0.01 m3／s）。每次微調(diào)結(jié)束后等待流體循環(huán)時間后再次測定、計算流量平均值并判斷，直至調(diào)節(jié)到位后完成該工況下的水力性能采集，再進(jìn)入下一目標(biāo)流量粗調(diào)控制循環(huán)。

以上各模塊及管路組成了噴水推進(jìn)泵水力性能試驗(yàn)臺流量控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)各模塊組成

4 實(shí) 例

本文研制的流量自動控制系統(tǒng)已應(yīng)用于中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院噴水推進(jìn)泵水力性能試驗(yàn)臺。

根據(jù)本文流量控制系統(tǒng)開發(fā)優(yōu)選被試泵模塊電力驅(qū)動裝置采用西門子Power Module 110 kW變頻器及西門子1LG6 280 90 kW變頻電動機(jī)。流量測量模塊DN400電磁流量計采用E＋H 0.2級流量計。流量調(diào)節(jié)模塊內(nèi)兩臺并列安裝DN600、DN150活塞式流量調(diào)節(jié)閥采用滬工LT942 304不銹鋼活塞式流量調(diào)節(jié)閥?？刂颇K的模擬量高速采集板卡采用NI C系列8通道電流采集板卡，最高采集速率為200 kS／s。模擬量輸出板卡采用NI C系列8通道電流輸出板卡。板卡機(jī)箱采用cDAQ系列8槽TSN以太網(wǎng)機(jī)箱，可控制C系列板卡與外部微機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

大量應(yīng)用本控制系統(tǒng)后統(tǒng)計顯示，當(dāng)試驗(yàn)要求5、10、15個目標(biāo)流量點(diǎn)，完成流量控制工作平均總耗時分別為28、62、155 min，比采用人工流量控制方法分別縮短了5.2、11.8、17.5 min左右。使用高精度超聲波流量計對兩種控制方式下的泵出口流量進(jìn)行測定，目標(biāo)流量范圍為0.32～0.56 m3／s，本控制系統(tǒng)可提高流量控制精度2.61%左右，有效提升了工作效率及流量控制精度。

5 結(jié) 語

通過大量試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文研制的控制系統(tǒng)有助于提高噴水推進(jìn)泵臺架試驗(yàn)效率、精度、可信度和自動化程度，釋放勞動力的同時有效提升了流量控制精度，為驗(yàn)證流體數(shù)值分析提供了可靠基礎(chǔ)條件，對噴水推進(jìn)泵試驗(yàn)設(shè)施、先進(jìn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)有一定借鑒意義。

本文研制的噴水推進(jìn)泵水力性能試驗(yàn)臺流量控制系統(tǒng)已申請國家發(fā)明專利，申請?zhí)枮?02011400437。