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文| 伊力

编辑| 伊力

全国20％以上的中小型汽轮发电机组，均采用低压电液调节系统，系统中的保安模块以液压阻尼网络为调节系统，提供两级先导控制油压，控制各油动机执行机构动作。

保安模块采用集成式结构，多级液压阻尼塞及电磁换向阀的存在，使得保安集成块流道结构复杂，其流道内部阻力直接影响到先导油压的动态泄压品质。

因此有必要明确，低压汽轮机电液调节系统中，保安集成块内部复杂流道结构的液流特性，在设计初期完成集成结构的内部流道阻力数值预测，进而优化流道结构及尺寸。

针对液压阀块传统加工流道局部压损过大问题，很多学者提出了结合增材制造方法对液压阀块内部管道结构进行优化设计和制造，但目前还未广泛应用在工程中。

现有公开文献中，很少涉及有效预测液压阀块内部流道阻力方面的研究，无法精确把控中低压电液系统或元件中先导敏感腔的控制油压大小，影响执行元件工作品质。

因此，本文作者研究集成块内复合流道内部阻力，实现设计初期的流道阻力预测，对工程应用具有重要的现实意义。

●—≺液压阻尼控制原理≻—●

保安模块的液压阻尼网络控制原理如图1所示，3个阻尼短孔串联在一起，通过对4个电磁换向阀的开关，控制形成不同的阻尼油路。

电磁阀V1和V3是一组通道，电磁阀V2和V4是另一组通道，分别与第二个、第三个阻尼孔并联，实现冗余布置。

在第一个阻尼孔出口和第二个阻尼孔进口之间，引出先导控制压力油进入相应控制油室。

压力传感器安装在2个相邻的阻尼孔之间，串联的第一个阻尼孔的进口压力为系统油源压力，用ps表示，先导控制压力值标记为past，系统工况监测压力标记为pasp。

保安集成块结构如图2所示，典型流道结构主要有π形流道、T形流道、Z形流道、直角交叉兼突扩流道。

为了明确保安集成块内部流道的阻力，将其流道结构进行局部液阻模块单元划分，各液阻模块的儿何结构如图3所示。

其中，π-1形流道，模拟集成块内连接第二个和第二个阻尼孔的流动情况，π-2形流道，模拟油液自电磁换向阀阀口“短路”阻尼孔，进入集成块主流道的流动情况。

π-3形流道，模拟油液在电磁换向阀内部时的流动情况，直角交叉兼具突扩特征型流道，模拟油液通过液压阻尼塞安装结构时的流动情况。

非正交T形以及正交工形流道，主要模拟连通电磁换向阀的流道与集成块内部主流道的流动情况。

简研究局部液阻单元阻力特性时，对各模块单元物理模型做以下假设：

(1) 与外界无热量交换；

(2)不考虑溶解于液压油中的空气等杂质的影响，即仅考虑单相流动；

(3) 定常不可压缩流动；

(4) 管网壁面为固壁、无泄漏。

设定速度入口、压力出口边界条件，且壁面无滑移，采用标准κ－ε湍流模型计算，模型的求解算法以有限体积法为基础，在贴体坐标系下对网格节点逐一求解各变量的方程。

对流项采用二阶迎风格式进行离散，扩散项的离散则采用中心差分格式，各个变量的离散方程通过Simple算法迭代求解。

为使模型具有较好的收敛性，设定各个参数的收敛残差值为1×10－5，采用结构化网格与非结构化网格混合进行网格划分，并进行了网格无关性验证。

●—≺液流特性≻—●

对图3所示液阻模块单元，分别进行了CFD仿真，各流场特征分布如图4—图11所示。

由图4（a）的π－1形流道压力云图可知，液流流动方向改变时，压力损失伴随而生，图4（b）速度云图显示：油液主流在π－1形流道内的流动类似于弯管流动。

入口油液的流速在第一个直角拐弯流道处，被迫改变流向时，受前方工艺孔处高压区影响，油液受到一个向心力，即油液在流道曲率半径方向的单位质量力。

当在曲率半径方向压力梯度为正值时，油液流速将随曲率半径增大而减小，油液在第一个直角弯道外缘A1处为减速流，压力梯度大于零，易产生脱流现象。

在内侧B1处时压力降至最低，之后逐渐恢复，即点B1以后的压力梯度大于零，形成漩涡从而造成压力损失，第二个直角弯道点A2、点B2处亦发生类似现象。

图5所示π－2形流道有2个直径12mm的入口，存在油液合流现象。

图5（a）所示压力云图中油液第一个入口的直角弯道壁面外缘存在局部高压，使得其附近存在脱流现象，如图5（b）A3位置所示，但整体压力分布较平稳。

A4处合流以后的第二个直角弯道壁面内侧B4处的脱流区域明显减小，液流很快充满流道，恢复稳定流动。

分别对连通流道高度为14mm和24mm的π－3形流道模块仿真，当连接流道高度为24mm时，液流在第一个直角弯道处的流动曲率半径较大。

第一个直角弯道内侧壁面处由于局部范围内压力较低，发生部分液流脱流现象，液流进入出口流道后，其速度核心明显偏离流道中心轴线。

当连接流道高度为12mm时，与图a1相比，在图b1中可明显观察到，直角弯道内侧壁面处压力分布发生了明显变化，压力降低，导致此处速度场形成一个漩涡。

与图a2相比，图b2中液流进入出口流道后，其速度核心偏离流道中心轴线的程度更加强烈。

这2种π－3形流道模块单元，相同流量下，连接通道高度为24mm时产生的压力损失明显更小一些。

T形非正交流道压力场及速度场分布如图7所示，Z向截面速度矢量分布如图8所示。

因非正交结构导致部分油液在点B处出现停滞，形成局部高压，其余高速液流从尖锐点A处经过时，产生局部低压。

当液流通过直角拐弯流道时，油液的流速方向改变，并且流速随着流道曲率半径的增大而减小，在点C处形成局部高压。

由于流道内侧点E处压力较低，出口流道外缘与内侧之间的压差，使壁面附近主流方向速度较低的流体质点沿壁面由高压流向低压，在出口流道点D处形成一个大的漩涡。

T形正交流道Y向截面的速度矢量图如图9所示，此时，油液在出口流道内产生两处明显的漩涡。

一处是由于盲孔区域的壁面迫使流体质点改变流速方向导致，另一处主要是由于流道外缘与内侧的压力差所致。

在图10（a）所示T形正交流道压力场分布图中，在出口流道外缘点B处产生局部高压.

流道内侧压力沿流向在点A处区域降为最低，液流直角转弯时较大的曲率半径使得T形正交流道出口流道的低压区面积较大。

在图10（b）所示的T形正交流道速度场分布图中，由入口流道进入的高速液流主要沿流道外壁边缘甩出，出口流道点A附近的内侧壁面处油液几乎静止不动。

由图11（a）所示直角交叉兼具突扩特征的流道压力场分布知，在直角出口流道内侧及突扩结构入口断面附近出现局部低压。

观察图11（b）所示速度场分布图可知，液流通过直角拐弯通道后，高速核心液流主流偏向流道外缘方向流出，并经过突扩结构后进入直径较大的出口流道时逐渐减速。

另一部分脱流液流，在突扩结构出口流道内侧区域，因压差关系产生了一个大的漩涡区。

将保安集成块中几种典型流道的压力损失曲线综合在一起，如图12所示，可看出，在直角转弯流道中，液流的曲率半径越大，压力损失更小一些。

同等输入流量下，非正交形式的T形流道产生更多的压力损失，并且随着流量的增大，这2种形式流道产生的压力损失差值更大。

同等流量下，与其他几种流道模块单元相比，直角交叉兼突扩特征的流道模块单元压力损失最大。

●—≺实验装置≻—●

实验系统原理如图13所示，为了进一步辨别电磁阀的通流阻力大小，设计了4个如图14所示的导通块，导通块的作用等同于电磁换向阀全开状态。

实验台如图15所示，在液压集成块上或内部集成了2个压力传感器、3个阻尼孔以及4个相同规格的电磁换向阀。

图15（a）中的流量计监测单阻尼时的输出流量，图15（b）中的压力传感器分别用于监测集成块内部AST测点及ASP测点的压力。

实验中工作介质选用46号液压油，油液工作温度稳定在30～35℃之间。

当电磁阀V1—V4全部处于全开状态时，油液自集成块进口流至出口过程中遇到的流道阻力预测模型如图16所示。

当已知通过油路的流量时，结合图12所示典型流道的流量－压力损失曲线，可预测此时流道阻力。

例如，当保安模块油路通过流量为20L／min时，根据图12曲线可得各阻力单元的压力损失，并根据液阻串联关系进行计算可得预测值为39kPa，如式（1）所示。

此种预测方法所得值比实验测量值30kPa仅多9kPa，阻力预测值与实验值存在少许差异的主要原因有：

典型流道的流量－压力损失曲线由仿真获得，复合叠加液阻的压力损失计算直接由各液阻单元压力损失值线性相加获得，未考虑液阻耦合因素影响。

低压汽轮机电液调节系统中的保安集成块内部流道阻力，直接影响先导油压的动态泄压品质。

文中通过CFD仿真分析了保安集成块内部的3种π形流道模块单元、T形正交与非正交流道模块单元，以及直角交叉兼具突扩特征的流道模块单元的流动特性。

进行了流道阻力实验测试，并提出了一种简易预测集成块复杂流道阻力的方法，此种方法预测值与实验结果基本相符。

主要结论如下：

（1）在直角转弯流道中，适当增大液流流动的曲率半径，可减小压力损失，比如π形流道结构中，适当增大其连接管直径，可增大液流转弯时的曲率半径，进而减小压力损失。

（2）同等流量下，直角交叉兼突扩特征的流道模块单元压力损失最大。

（3）应避免出现非正交流道结构。

（4）根据各流道单元的流量－压力曲线，通过复合叠加液阻串联模型实现流道阻力数值预测。

研究成果对复杂液压系统集成块的流道阻力数值预测，以及结构优化设计有重要指导价值。