（轮机工程专业论文）船舶主机润滑油管路与燃油管路建模与仿真.pdf

中文摘要摘要船舶主机燃油系统和主机润滑油系统是船舶动力装置的重要组成部分。船舶动力装置是指保证船舶正常运行，作业，停泊以及船员，旅客正常工作和生活所必需的机械设备系统的综合体，它包括主推进装置，辅助机械，甲板机械，各种动力管理系统和船舶管路系统，如燃料，滑油，冷却，压缩，空气，压载，舱底水，消防系统等以及枫舱机械设备的遥控及自动化系统，是一个内容广泛，错综复杂的系统工程。本文以大连海事大学实习船的主机燃油系统和主机润滑油系统为基础，基于热力学的相关理论，通过对各换热器和柴油机主机换热的热力分析，得到主机润滑油系统和燃油系统的传热模型。基于流体力学的相关理论，通过管路分析，得到主机润滑油与燃油管系的水力模型。在系统建模的过程中，需要考虑的部分可分为：压力管路水力模型建模，泵工况特性建模，换热过程建模，主机特性建模等几大部分。为了验证数学模型是否正确，使用m a t i a b 中的s i m u l i n k 工具进行仿真。在数学模型正确的基础上，用m i c r o s o f tv i s u a l2 0 0 5 编制了应用程序。基于面向对象的理论将船舶主机燃油系统和润滑油系统分割成实现不同功能的类，每个类都进行封装，通过借口互相联系。通过g d i + 和d i r e c t x 构建包括各种操作与显示的方针界面，最终完成模拟器软件的编写。本课题阐述的方法和最后的成果，可以作为船舶智能化机舱的一个组成部分，配合其他模块运行，也可以作为主机润滑油与燃油管路的模拟器，单独用于教学业培训工作。关键词：热力学模型；管路模型；f i e f英文摘要t h es h i pm a i ne n g i n el u bo i la n df u e lo i ls y s t e ms i m u l a t i o n也s t r a c tt h ef u e lo 订s y s t e ma n dl u bo i ls y s t e mi st h em a i np a r to f t h es h i p sm a i ne n g i n e t h em a i ne n g i n ei su s e df o ri n s u r i n gt h en o r m a lr u n n i n gc o n d i t i o na n ds e a m a n sw o r k i n ga n dl i f eu s i n g i ti n c l u d et h em a i ne n g i n e ，s u be n g i n e ，o n b o a r dm a c h i n ea n dt h em a n a g m e n to fm a i ne n g i n ea n dp i p l i n es y s t e m ，l i k ef u e lo i l ，l u bo i l ，c o o l i n g ，c o m p r e s s i n g , a i ra n dw a t e r , i t sr e a l l yac o m p l e xs y s t e m t h i sa r t i c l ew a sb a s e do nt h el u bo i ls y s t e ma n df u e lo i ls y s t e mo ft h ed a l i a nm a r i n t i m ei n t e r ns h i p ，t h eb a s i ct h e r o yi st h et h e r m o d y n a m i c s b yt h ea n a l y s i n go fd i f f e r e n th e a tt r a n s f e re q u i p m e n ta n dt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ft h em a i ne n g i n e ，w eg o tt h em a t hm o d e lo ft h el u bo i ls y s t e m t h ep i p e l i n es y s t e mi sb a s eo nt h eh y d r o d y n a m i c st h e o r y , w eg o tt h ew a t e rf u n c t i o nm o d e lo f t h ef u e lo i ls y s t e ma n dl u bo i ls y s t e m i nt h ec o n s t r u c t i n gp r o c e s s ，t h es y s t e mc o u l db ed i v i d e di n t ot h e s ep a r t ：p i p l i n em o d e l ，p u m pm o d e l ，h e a tt r a n s f e rm o d e l ，m a i ne n g i n em o d e l b yu s i n gt h em a t l a ba n ds i m u l i n kw eg o tt h es i m u l a t i o nr e s u r t h es i m u l a t o rw a sb a s e do nt h e n e tf r a m e w o r k2 ，iu s e dt h eo b j e c to r i e n t dm e t h o dc o n s t r u c td i f f e r e n tc l a s st or e a c hd i f f e r e n tf u n c t i o n t h eu s e ri n t e r f a c ew a sb a s e do nt h eg d i + a n dt h ed i r e e t x t h ef i n a lr e s u l ta n ds i m u l a t o rc o u l de i t h e rb eu s e da sap a r to ft h ei n t e l l i g e n c es h i pe n g i n er o o mo ru s e ds e p e r a t e l y k e yw o r d s ：h e a tt r a n s f e r ；p i p e l i n em o d e l ；n e t大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士硕士学位论文：监曲圭扭涸澧迪筻堕皇缝油筻堕建搓里笾墓：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：髓奇学位论文版权使用授权书知司年月) 钾日本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密口( 请在以上方框内打“”)论文作者签名：豫i 节导师签名：鸯 芭臣一日期：力川年j 月砑日船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真第1 章绪论1 1 选题背景与意义船舶主机润滑油系统和燃油系统是保障主机正常稳定运行的重要辅助系统，船舶动力装置在运转时，由于其运动部件( 轴系、活塞、十字头、滑块等) 在轴承、汽缸、导板上转动和滑动时，各接触表面之间要发生摩擦，如果两金属表面直接接触会发生干摩擦，那么部件将急剧磨损【1 捌，以至金属表面发热甚至咬死烧熔，机械设备将遭到损坏。润滑油管系的功用就是对船舶动力装置设备( 如柴油机、增压机机械设备等) 供应足够的、合乎质量要求的滑油【3 】，使干磨擦变成液体润滑下的摩擦，大大的减轻部件的磨损，同时还有部分滑油负责主机的冷却【4 1 。燃油系统p j 贝0 是负责主机运行时燃料的供给，对现代船舶运行的经济性和稳定性，有很重要的作用。因此，船舶主机润滑油系统和燃油系统的动态过程【6 j 仿真模拟作为轮机模拟器的重要组成部分，对现代模拟教学与培训，都有重要的作用和意义。用计算机仿真【7 8 】来研究系统的特性，在计算机上对构成系统的模型进行试验，为模型的建立和实验提供了巨大的灵活性和方便性。利用计算机，使得数学模型的求解变得更加方便、快捷和精确，适用于解决规模大、难以解析化以及不确定得系统。随着计算机图形技术得日渐成熟，图形用户界面越来越友好，使得仿真系统得交换性日渐增强 9 1 。在仿真系统中，界面不仅用来显示仿真系统得状态，而且允许分析者与仿真系统对话，修改系统参数从而改变仿真得状态。仿真技术早己被广泛应用于各类系统的全生命周期活动及人员训练决策等过程中。计算机仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用物理效应设备( 模拟再现真实世界环境) 为工具，借助系统模型对真实系统或设想中的系统进行试验，以达到研制、开发、使用实际系统为目的的- i - j 综合性技术。实时仿真技术作为计算机仿真的一支极有特色的应用分支，近年来更是发展迅速。实时是一个时间标尺的概念，对系统的响应有严格的要求。实时仿真从系统的组成来看，是计算机与真实系统或物理模型相连接，在实时条件下接受动态系统的输入，并产生一个动态的输出，其输入输出是有固定的采样周期的数据序一1 一绪论列。从时间角度来看，实时仿真是仿真时间标尺与系统的实际时间标尺相同的仿真。轮机仿真训练器( m a r i n ee n g i n es i m u l a t o r ) 是计算机实时仿真技术在航海领域的典型应用，它目前己成为为广大船员培训、考核的重要手段”o l 。我国是一个航运大国，每年有大量的高等院校的轮机学员走向航海岗位，需要岗前训练，还有大批社会上的在职船员要求技能提高培训，具有很大的船员培训市场。然而传统的实船培训高级船员的方法不仅周期长、耗资巨大，而且风险也很大。现代船舶轮机仿真训练器可以在很大程度上替代实船设备，使被培训人员能在与实船很相似的场所下，进行各项轮机管理、操作以及排除故障的训练。国际海事组织i m o在1 9 9 5 年7 月7 日全面修订的海员培训，发证和值班标准国际公约中，明确规定：航海、轮机部门的人员必须经过轮机仿真训练器的培训才能上岗。计算机仿真技术的日益发展，为轮机仿真器的开发提供了更有力的手段。为了进一步提高仿真培训的效果和降低建模工作的难度，需要在以下面这方面进行改进：船舶轮机系统包括船舶主机系统、船舶电站系统、船舶辅助系统、遥控系统等多个子系统，涉及大量的单元设备，要描叙整套轮机系统的各种工作情况，是件颇为复杂的工作。目前的轮机仿真训练器主要采用一种面向过程的集中式封闭系统的建模方法，该种结构要求系统开发人员对整套系统( 至少某个子系统)很熟悉，开发难度大，周期长，并且日后的系统维护和功能增加也不容易进行。随着建模技术的发展，利用面向对象的建模方法将大大降低建模工作的难度，不用每个系统开发人员掌握系统全局，只要求他们对某个局部对象的理解，这样可将建模工作分开给许多人员并行的进行，缩短系统开发周期。系统总体规划设计者就像将己经成品的纵多零件( 系统对象) 组装为一台汽车( 系统) 一样，将各个子对象进行连接。显然，利用面向对象的方法进行建模的系统，其日后的维护和功能添加也很容易实现。系统建模与仿真在各行各业中，作用日益突出，正在迅速发展为一种新兴的生产力；轮机仿真训练器的未来发展方向是系统模型更齐全、仿真效果更逼真，软硬互辅。本课题是以大连海事大学校实习船主机润滑油系统和燃油系统为研究对象，经过适当的简化，得到主机润滑油系统和燃油系统的数学模型，从而对其进行比一2 一船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真较精确的仿真。1 2 本文的主要工作及论文结构第一章，绪论。主要对选题背景意义和国内外的研究动态作了阐述。第二章，压力管路系统的建模。本章主要根据流体力学的相关原理，结合离心泵与螺杆泵的工作特性，对主机润滑油与燃油系统管路进行了水力分析和编程计算，得到了系统的管路水力数学模型。第三章，滑油系统的温度模型。本章在参考文献的基础上，利用传热学的有关理论，滑油系统的传热机理进行分析，结合工程实际情况进行合理的简化，给出了船舶主机润滑油系统的动态热力数学模型，并在此模型中考虑了温度的变化对换热器传热系数的影响，提高了模型的精确度。第四章，燃油系统的温度模型。分析了燃油系统管路中的各个组成部分的热量交换，温度变化对燃油特性的影响，采用与滑油系统类似的理论，建立了燃油系统的换热模型。第五章，本章在前面建立的数学模型基础上，介绍了n e tf r a m e w o r k2 以及v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 的新特性对仿真软件设计的帮助，阐述了软件的设计思想和框架。最后介绍了系统中采用的数据库及d i r e c t x 技术应用。滑油系统的温度模型第2 章压力管路系统的建模本章详细介绍了压力管路的建模方法，并建立了主机润滑油与燃油系统的压力管路模型。2 1 压力管路水力分析基础凡是液流【1 2 1 充满全管并在一定压差下流动的管路都称为压力管路。由流体力学理论知道，管系中管壁所承受的压力是由其中的工质施加的。工质能流动是因为在管线两端截面上存在压力差。管壁的不光滑将导致流动时产生摩擦损失，工质沿流动方向流速逐渐降低。其基本理论是流体的质量方程、动量方程、状态方程、能量方程以及能量方程中各个损失的计算方法。流体输送系鲥1 3 1 包括：流体输送管路，流体输送机械，流动参数测控装置。根据流体流动的质量守恒，动量守恒与能量守恒原理，不可压缩流体在管路中稳定流动时应该服从：( 1 ) 连续性方程：对定长流动来说，每单位时间内通过管路所有横截面的流体的流体质量是相同的，所以可以用下式来计算：p l i a i u l l = p z l a z u 2 12c o n s t( 2 i )对于不可压缩流体来说，压力和温度对流体的密度影响不大，可以认为管路中流体的密度是相等的，于是有：q = a i u i | = a 2 u 2 1 = c o n s t( 2 2 )其中：a 1 u 1 1 分别为截面l 处的横截面面积和流动速度，a z u 2 1 分别为截面2 处的横横截面面积和流动速度。( 2 ) 伯努利方程n 4 1孚+ 詈+ g z l + h 。= 孚+ 詈+ g z 2 + h f( 2 3 )其中：体积平均流速u = v a = 4 v ( 兀d2 ) 。由于流体输送系统 1 5 1 的流速一般不会很低( 湍流) ，因此动能校正系数n 往往接近于1 0 。对于流速较低的层流流动，a 值与1 0 相差较大，但由于动能项船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真在总能量中所占的比例很小，因此也可不加校正。若管路输送的流体的质量流量为w ( k g s ) ，则输送流体所需供给的功率( 1 l j 流体输送机械的有效功率) 为：n e = h e w( 2 4 )如果流体输送机械的效率为t 1 ，则实际消耗的功率即流体输送机械的轴功率为：n = 等= h e q w( 2 5 )qq对可压缩流体，若在所取系统两截面之间流体的绝对压强变化小于1 0 ，仍可按不可压缩流体计算，而流体密度则以两截面之间的流体的平均密度p m 代替。某些流体在管道中常用的流速范围：表2 1 流速范围t a b 2 1s p e e ds c a l e流体种类及状况常用流速范围m s流体种类及状况常用流速范围水及一般液体1 0压力较高的气体1 5 ，2 5粘度较大的液体0 5 - 1饱和水蒸气低压气体8 1 58 大气压以下4 m 击o易燃，易爆的低压 83 大气压以下2 0 - - 4 0气体( 如乙炔等)3 0 5 02 2 管路计算的一般原则应用伯努利方程时，首先应根据具体问题在流体流动系统中确定衡算范围，也就是确定流出伯努利方程的截面位置。所选的计算截面既要与流体流动方向垂直，截面上各点的总势能也应相等。因此截面应选在均匀管段且与管轴线垂直。所选的两个截面应尽可能是已知条件最多的截面，而待求得参数应在两截面上或在两截面之间。计算重力势能的基准水平面可任取，基准面处流体的重力位能为零。所以若是两计算截面之一为基准面可使方程简化。求解方程时应注意各项单位的一致性o k g 或p a ) 。一5 一滑油系统的温度模型2 3 直管阻力损失的计算方法2 3 1 沿程阻力损失粘性流体在管内流动，由于摩擦所引起的机械能损失【1 6 l 。用范宁摩擦因子将阻力表达为壁面处的剪应力：t s = ；p u 2( 2 6 )根据伯努利方程中各项的物理意义和直管阻力表达式，可将直管阻力损失h f 表达为单位质量流体克服壁面处内摩擦力所做的功。当流体以平均流速u 通过内径为d ，长度为1 一段管道时，其阻力损失应为内摩擦功率与质量流率之比，即：h r 一第= 警一z r i lu 2 = 丸j 譬( 2 7 )其中：l 为管道长度m ；d 为管道内径7 r i ；u 1 为液流平均速度m 肛九为沿程阻力系数，它与流体的黏度，流速，管道内径以及管壁粗糙程度等有关。要获得沿程阻力较为精确的计算结果，关键在于正确的计算x 值。而九与雷诺数有非常密切的关系。雷诺数表示流体惯性力与粘性力之比。对于充满流体的圆管流动：= 訾或普= 挈( 2 8 )式中：i i i 为管流平均速度m s ；d 为管道直径m ；v l 为流体的运动粘度m 2 s ；p l 为流体的质量密度鲁；u l 为流体的动力粘度p s对于非圆截面的情况，截面面积与湿周之比( 称为水力半径r ) 被用于雷诺数中，此时表达式为：r e = 半( 2 9 )流体在流道中的流动状态可以用具体的雷诺数来划分( 1 ) 当r 。 2 0 0 0 时，流体作层流运动，流态为层流。( 2 ) 当2 0 0 0 r e 3 0 0 0 时，流体进入湍流状态( 即紊流) 状态。根据r e 的不同，沿程阻力系数的计算可根据下表来完成船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真表2 2 沿程阻力系数t a b 2 2d r a gi n d e x流态类别范围常用的经验公式层流 = 2 0 0 06 4九2 丽紊流水力光滑3 0 0 0 1 等0 3 1 6 47九2 可i紊流混合摩擦警 6 6 5 - - 7 6 5 i n z1k 再( 2l n = 当勺2a 的经验方程是在圆截面处人工粗糙管道中，根据流体流动阻力损失的经验数据由a 与无因次准数关联的结果。应用经验方程应注意几何相似和实验参数范围。实际问题往往不能与实验条件保持严格的几何相似，工程上采取当量尺寸的方式使之近似相似并在原经验方程的基础上加以修正。采用与人工粗糙管相同的实验方法测定一系列工业常见管道的摩擦系数值a 后，反算出与之相当得粗糙度。滑油系统的温度模型表2 3 粗糙度t a b 2 3r o u g h n e s sd e g r e e管道类别管道类别， ts ，m无缝黄铜管o 0 1 o 0 0 5干净玻璃管o 0 0 1 5 o 0 0 1新的无缝钢管或0 1 - 4 ) 2橡皮软管o 0 1 o 0 3镀锌铁管新的铸铁管o 3木管道o 2 5 1 2 5具有轻度腐蚀的o 2 0 3陶土排水管0 4 5 - 6 0无缝钢管具有显著腐蚀的0 5 以上很好平整的水泥o 3 3无缝钢管管旧的铸铁管o 8 5 以上石棉水泥管o 0 3 加8非圆形截面管道流体流动的阻力损失可采用圆形管道的公式来计算，只需用当量直径d e 来代替圆管直径d ：d 。= 4 耥= 等( 2 1 0 )流体浸润周边即同一流通截面上流体与固体壁面接触的周长。对于长方体：d e = 4 志= 等( 2 1 1 )对于圆：d。=+耥=百4a=4糕=(d2-d1)(212)44e 。+ 菊磊丽2 百24 瓦而忝5 【d 21 j采用当量直径计算非圆形截面管道的r e ，稳定层流的判据仍然是r e 2 0 0 0 。计算阻力系数时，仅以当量直径d e 代替圆形截面直管阻力计算公式中的d ，并不能达到几何相似的满意修正，因此需要对计算结果的可靠性作进一步考察。一些对比研究的结果表明，湍流情况下一般比较吻合，但与圆形截面几何相似性相差过大时，例如环形截面管道或长宽比例超过3 ：l 的矩形截面管道，其可靠性较差。船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真层流情况下可直接采用以下修正公式计算：九= 丢表2 4 当量粗糙度t a b 2 4e q u a lr o u g h n e s sd e g r e e非圆形管的截面d常非圆形管的截面d常数形状e数c形状ec正方形，边长为口d5 7长方形，长2 口，1 3 a6 2宽a等边三角形，边长0 5 8 a5 3长方形，长4 a ，1 6 a7 3a宽口环形，环宽哆。t )9 6i d 2 。d 1 ) 2佗1 3 )2 3 2 局部阻力损失管路系统中的阀门、弯头、缩头、三通等各种阀件、管件不仅会造成摩擦阻力，还有流道急剧变化造成的形体阻力，产生大量旋涡而消耗机械能。流体流过这些阀件、管件处的流动阻力称为局部阻力。局部摩擦阻力从理论上的推导一般是较为困难的。仅有极少量的局部阻力可以用理论分析方法进行计算，而绝大多数的局部阻力损失都要用实验的方法来确定。用实验的方法确定局部阻力损失时，通常用以下的公式：h f - - 6 鼍( 2 ，1 4 )其中，6 成为局部摩擦系数。在实际计算中，为了便于把局部阻力损失和沿程阻力损失合并计算，有时把局部阻力损失换算成为相当于多少米长的沿程阻力损失，称为当量长度法，公式为：h f - - 1 1 - f f 鲥2 9( 2 1 5 )式中，l 。成为当量长度。通常情况下：滑油系统的温度模型l o o m m 的闸阀1 2 关时，1 c = 2 2 m 。l o o m m 的闸阀全开时，1 c = o 7 5 m 。l o o m m 的标准三通，l e = 2 2 m 。具体还可以查询下图：圈2 1 当量长发f i 9 2 1e q l i a ll e n g t h管元中的总的摩擦阻力压头损失可以表示如下：a h i = h j + h j = d i ”2 9 2 + 聂毫由于流量q i l l 8 1 与流速v i 的关系：聃：垒：- 旦b ：粤驴首2 窘2 蔷即有：h 产畔+ 毛) 暑= 阱+ 聂) 去( 4 q 。, a 2( 2 1 6 )( 2 1 7 )( 2 1 8 )船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真a h ；= 哔+ 聂) 鑫q ( 2 t 9 )在近似认为沿程阻力系数不变的情况下，有：& h i = c i 嘶( 2 2 0 )其中：c i 啡+ 毛) 丽8( 2 2 1 )显然，对于一个复杂的水力管路而言，其水力特性的确定主要取决于总的阻力系数c i 的确定。2 4 流体输送管路计算流体在管路中【1 川流动的规律与电流在电路中的流动相似，其分析也类似。无论实际管路有多复杂，总是可以分解为简单管路、并联管路与分支管路三种基本类型的组合。可以依据连续性方程、柏努利方程和流动阻力损失的计算方法对每一种基本管路进行分析。2 4 1 简单管路计算简单管路即无分支的管路，既可以是等径埘，也可以由不同管径或截面形状的管道串联组成。简单管路的基本特点是：通过各段管路的质量流量不变，即服从连续性方程：w 一- - - v l p l = v 2 p 2 = = c o n s t( 2 2 2 )对于不可压缩流体，体积流量也不变：v = v 1 = v 2 = = c o n s tu z a l = u 2 a 22 = c o n s t ( 2 2 3 )全管路的流动阻力损失为各段直管阻力损失及所有局部阻力之和。串联时有各个分流量等于总流量，因此可以得到：c = c 1 + c z1 2 2 4 )2 4 2 并联管路计算对于并联管路，主管中的质量流量等于并联各支管内质量流量之和：w = w l + w 2 + w 3( 2 2 5 )滑油系统的温度模型p v = p l v l + p z v 2 + p 3 v 3( 2 2 6 )对于不可压缩流体：v = v l + v 2 + v 3( 2 2 7 )任一并联处流体的势能唯一，由柏努利方程可以知从分流点a 至合流点b ，单位质量的流体无论通过哪一根支管，阻力损失都相等，即：h f a b = h f l = h m = h f 3( 2 2 s )各管段的阻力损失为：h f l = l 量dl 立2( 2 2 9 )式中，l i 是包括局部阻力当量长度在内的支管阻力计算长度。并联各支管流量分配具有自协调性：= 孚u( 2 3 0 )任意两支管i 、j 的流量分配比为：岂v = 署j 最，叫h l - 1 j( 2 3 1 )对于分支管路，分支点既可以是分流点，也可以是交汇点，这取决于支管上流体的流向。在任一个分支点处，若支管段内流体的机械能小于该点处主管上的值，则主管上的流体向支管分流；反之则由支管向主管交汇。以分流为例，分支管路的特点是：主管质量流量等于各支管质量流量之和。对不可压缩流体为：v = v 1 + v 2 = v 1 + ( v 3 + v 4 )( 2 3 3 )从分支点出发可对各支管列柏努利方程，对不可压缩流体有：芋+ 詈+ g z b = 芋+ 詈+ g z c + y h m c = 芋+ 詈+ g z d + z h m 。= 譬+ 詈+ g z e +h f d e + y - h 甩d = 譬+ 睾+ g z f + h 甩d + h m f( 2 3 4 )并联管路必须满足能量需求最大的支管的输送要求，其它支管可以通过改变管路阻力的方法调节流体机械能大小。无论分流或交汇，分支管路系统各支管与主管之间都相互牵制，任何一条支管流动状况的改变都会影响到系统内所有的支管，因此管路计算较为复杂。一般原则是逆着流动方向，由远而近对每一个分支点进船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真行分解，逐一列出方程，编程上机计算。进行复杂管路计算时所选的两个截面之间包含有分支点且必须要考虑流体在该点处分流或合流的能量改变时，就可以将其统一包含在柏努利方程中的阻力损失项h f 之中。2 5 可压缩流体的管路计算从欧拉方程出发可导出单位质量理想流体沿迹线微小位移过程中压力梯度与重力作功引起流体动能的改变量：d = - - d _ 。p p - - g d z( 2 3 5 )对圆管中的稳态流动，迹线与流线重合，沿迹线的微小位移等价于沿管轴线流动的微元长度m 。对实际粘性流体，在该微元流动长度内摩擦力作功应为：d h f = 九i d l 7 u 2( 2 3 6 )摩擦力作功总是使流体机械能减少：d 一e p 。一g d z - 九百d l i u 2( 2 3 7 )在一定条件下积分上式即可得到可压缩粘性流体在直管内流动的机械能衡算方程。用质量流速g 将流速甜表达为：u = ! = g v( 2 3 8 )p式中流体比容；v 2 ( 2 3 9 )此时r e 表达为：r e = 业i t = 盟i t( 2 4 0 )由于摩擦系数九= 巾( r e ，d ) ，对等径管而言，在此条件下有：g 2 誓+ 等+ 警+ o 翁m = 0( 2 4 1 )vyv 一、z a ，由于气体密度小其位能改变可以忽略不计，积分上式可得：g z l l l 罢+ ，p ：zd。p+，xg2l=0pl2 d( 2 4 2 )y l。v、气体比容的变化一般可按理想气体p - v - t 关系处理：滑油系统的温度模型等温过程p v = c o n s tu 4 绝热过程p v 。= c o n s t( 2 4 4 )多变过程p v 。= c o n s t( 2 4 5 )式中，r 、k 气体的绝热指数和多变指数。选取适合过程特征的表达式即可积分得到粘性气体输送管路计算基本公式。以多变过程为例：g z t n 并+ 壶【r t k + l 一，卜等= 。d等温过程k = 1 ，从上式可得：g 2 l n 署+ 貉z p l + 等l = o( 2 4 7 v 1v lz og 2 l n 詈+ 赫+ 7 ： g d 2 1 = o( 2 4 8 )平均压强平均密度代入上式并整理可得：p 。= 乎o ；2 血旦m2r t佗4 9 )( 2 5 0 )訾= 筹( 1 n 詈+ ( 2 5 1 )可压缩流体在直管内流动的静压能下降，一部分用于流体膨胀动能增加，另一部分用于克服摩擦阻力损失。若流体膨胀程度不大，上式右端括号中第一项可以忽略，则与不可压缩流体水平直管中流动的柏努利方程相一致。2 6 管路特性曲线对任一个包含流体输送机械在内的管路系统，柏努利方程表达了从输送起点( 低机械能点) 截面1 到目标点( 高机械能点) 截面2 之间流体的能量转换关系：等+ 詈+ z 1 + h l 2 鼍+ 嚣+ z 2 + z h f( 2 - 5 2 )单位重量流体为基准的柏努利方程。式中各项单位为m 流体柱，其中，h l = h e g ，h f = h f g 。为了提高流体的机械能并克服管路系统的阻力损失，必须要求流体输送机械向船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真每单位重量流体提供的机械能为：h l = 警+ 警+ ( z 2 _ z 1 ) + e h f( 2 5 3 )由直管阻力损失计算式和局部阻力损失计算式可知：e h f = 【 ；+ o 狰( 2 5 4 )根据管路中的流速u 与体积流量v 的关系，可写为：h l = 鲁+ z + 去【g 是一螽) + 三! 。2 诤d 4 旧j 1 v 2( 2 5 5 )对一定的管路系统，仅摩擦系数九与流量有关。湍流时，九变化较小；进入阻力平方区，九与流量无关。若令：k = 云【镀一却+ y x 6 一( 1 d l + 。g l 一( 2 5 6 )管路特性方程：h l = a 耀p + a z + k v 2( 2 5 7 )表述管路系统输送流体的流量与所需机械能的关系。管路的扬程或压头：h l = 等+ z + k v 2( 2 5 8 )管路特性曲线：代表管路特性方程的曲线。对给定的管路，怠+ z ) 固定不变，所以k 值代表了管路系统的阻力特性。高阻管路k 值大，如图中曲线2 所示，曲线更陡峭，表明完成同样的流体输送任务需要提供更大的扬程。滑油系统的温度模型2 7 泵的流量特性图2 2 管路特性曲线f i 9 2 2c u r v eo f p i p l i n e2 7 1 计算原理润滑有关系采用螺杆泵，而泵的排量与泵本身的特性和管路的水力特性有关，只有在泵的排出压力与管路在当前流量下的总压降相等时，泵才能稳定工作在这个流量下，如图3 1 所示：船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真l 1 l 2 一泵特性曲线：r i r 2 一臂路特性曲线g 1 g 2 g 3 一泵工作点图3 1 管路压降与流量特性曲线图f i 9 3 1p r e s s u r ed r o pa n dp i p ef l o wc h a r a c t e r i s t i cc u r v e其中水泵的特性曲线可以从说明书中计算得到，因此，只要计算出管路特性曲线即可，即要得到滑油流过某管路时所需的压头h 和流量q 间的函数关系。2 7 2 泵的特性曲线泵特性曲线主要作用包括：描述压头、轴功率、效率与流量关系( h - v 、u - v )的曲线。对实际流体，这些曲线尚难以理论推导，而是由实验测定。泵的特性曲线反映了泵的基本性能【2 1 1 。图2 3 离心泵特性曲线f i 9 2 3c u r v eo f p u m p( 1 ) h v 曲线：泵扬程h ( 压头) ，是指泵在实际工作条件下对单位重量的流体所能提供的机械、一1 7 一滑油系统的温度模型能，单位为n l 。h - v 曲线 2 2 1 代表的是在一定转速下流体流经泵所获得的能量与流量的关系，是最为重要的一条特性曲线。扬程h 随流量v 的增加而下降( 流量极小时不明显) ，这是因为采用了能量损失较小的后弯叶片。同一流量下，由于实际叶轮与理想叶轮的差异以及机械能损失，泵实际提供的扬程小于理论扬程。( 2 ) n v 曲线与7 - v 曲线：泵的轴功率n 是指电机输入到泵轴的功率。由于泵提供给流体的实际扬程小于理论扬程，故泵由电机获得的轴功并不能全部有效地转换为流体的机械能。有效功率n e ：流体从泵获得的实际功率，可直接由泵的流量和扬程求得：n 。= h v p g( 2 5 9 )t 1 = 百n e = 半( 2 6 0 )t 1 值的大小直接反映了离心泵运转过程中的能量损失，主要包括容积损失，水力损失和机械损失三种形式。2 7 3 泵的比例定律扬程之比：告= 器= 薏= 业c 2 u 2 羞c 0 $ hc 2 u 2c 0 $ = 圆u 22 = ( ) 21 )hh nb、7、n 7、- 轴功率之比：普= 业p g v h = 国( ；：) = 舀n3( 2 6 2 )nn v k h ，、77将上述公式用于换算转速变化在- - 2 0 范围内离心泵的特性曲线，其准确程度是工程上可接受的。由已知特性曲线上的一点( v ，岣，通过比例定律式仅可求得与之对应的一个点( 、，h ) ，要得新的特性曲线，需对诸多点进行换算。2 7 4 泵的工况调节当安装在一定管路系统中的泵工作时，泵输出的流量即为管路的流量，泵提供的扬程即为管路所要求的压头。泵的工作点：泵的扬程曲线( h 川与管路特性曲线( h l v ) 的交点( a ) 。根据工作点的位置，可以判断泵的工作状态是否在高效区域内。泵的操作调节对应着工作点的移动，多台泵组合安装则需要确定组合泵系的关系曲线。船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真图2 4 泵组合曲线f i 9 2 4c u r v eo f m u l t i p l ep u m p泵的工况以及泵在负载条件下的运转状态，主要决定于泵的排量和压头。两者匹配关系反映出了泵的运转工况。当两者匹配最佳是，则工况点为最好。在理论上，泵的工况点为泵的特性曲线和泵所在的系统管路特性曲线的交点。改变管路特性曲线或改变泵特性曲线均可改变工况点，当工况点很差时，则说明了泵运转出现了不正常情况。改变管路流动阻力( 如阀门开度) ，管路特性曲线将发生相应的变化。关小阀门，管路阻力增加，管路特性曲线由1 移至1 ，工作点由a 上移至a7 ，流量由v 减少为v 。该调节方法的主要优点是操作简单，但管路上阻力损失大且可能使泵的工作点位于低效率区，因此多在调节幅度不大但需经常调节的场合下使用。2 7 5 泵的并联和串联有大幅度调节要求时，可以采取多泵组合安装的方式。将组合安装的泵视为一个泵组，根据并联或串联工作的规律，可以作出泵组的特性曲线( 或称合成特性曲线) ，据此确定泵组的工作点。并联操作：泵在同一压头下工作，泵组的流量为该压头下各泵对应的流量之和。与单台泵在同一管路中的工作点1 相比，并联管组不仅流量增加，压头也随之有所增加，因为管路阻力损失增加。同一管路系统中并联泵组的输液量并不能达到两台泵单独工作时的输液量之和。，一1 9 滑油系统的温度模型串联操作：泵送流量相同，泵组的扬程为该流量下各泵的扬程之和。与同一管路中单台泵工作点l 相比，串联泵组不仅提高了扬程，同时还增加了输送量。正因为如此，在同一管路系统中串联泵组的扬程不能达到两台泵单独工作时的扬程之和。2 7 6 泵的工况点的确定一般情况下，泵的q h 特性方程2 3 】【2 4 1 可以用下式表示：h = 8 0 + a 1 q + 8 2 q 2( 2 6 2 )式中：h 表示泵的扬程；q 表示泵的排量；当n 台特性相同的泵并联时，泵的扬程为；h = a 0 十a 1 + a 2 0 2( 2 6 3 )当n 台特性相同的泵串联时，泵的扬程为：h = n ( a o + a 1 q + a z q z )( 2 6 4 )通常情况下，泵的特性曲线都是通过一组实测数据得到的。在处理数据时，我们一般用的是最小二乘法。在工程数学和统计研究中处理曲线拟和问题时，为了反映实际数据点的变化规律，必然要求在每个点都有数学模型得到的计算值与实测值之差都比较小，通常要使误差的平方和最小，这种使误差平方和达到最小来确定数学模型表达式的方法我们称之为最小二乘法。最小二乘法可以应用在拟和泵的特性曲线方程上。通常曲线拟合采用多项式拟和方法。多项式拟和：设拟和曲线为m 次多项式，可将数学模型表示为：f i ( q ) = a o + a 1 q i + a 2 q ：+ a 3 q ? + + a m q m( 2 6 5 )其中，f i ( 0 3 为泵的扬程的拟和值；q 。为泵的流量值；a 。为模型的待定系数；m 为多项式拟和次数；一般采集的数据越多，精度越高则数学拟和模拟出的缺陷越精确；所测工况点越多，则由数学模型表达式拟和出的特性曲线越接近泵的实际工况。一般为了为船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真了提高运算速度和简化运算，同时兼顾保证运算精度，通常可以采用二次三次或四次曲线拟和。在本模型建立中，采用的是三次曲线拟和，公式为：f i c q ) 2a o + a 1q i + a 2 + a 3 睇( 2 6 6 )根据最小二乘法基本原理对上式进行求解即使只满足如下的关系式：f ( a o ，a l ，a z ，a 3 ) = 饕1 酽= 冬1 瞄一f i ( q ) ) 】2 】= m i n( 2 6 7 )由多元函数求极值的必要条件可得：瓦o f = 一2 冬1 i n i y i = o a k 时】q k = 0( 2 6 8 )求解过程中一共取得了8 组数据，代入得：8 a o + 口1 t + 口：# + 码# = 乃i = ll ；ll t l拉l8888da o _ + q # 十a ：# + 嘞# = y l x ii 。ls = ls = lt = li = l8888而2 + q # + 口：# + ，# = z y ，而2i = lt = li = ll = li = 18888a o t 3 + d 。f + 口：# + a 3 e x ? = z y ，x l z2 7 7 螺杆泵的工况点的确定按螺杆的数目，有单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵以及五螺杆泵。螺杆泵的工作原理与齿轮泵相似，是借助转动的螺杆与泵壳上的内螺纹、或螺杆与螺杆相互啮合将液体沿轴向推进，最终由排出口排出。螺杆泵压头高、效率高、无噪音、适用于输送高粘度液体。本系统中，滑油系统采用三螺杆泵。根据螺杆泵的特性可知，其流量稳定。设三螺杆泵的转速为n ( r m i n ) 螺杆直径为d ( m ) ，容积效率为t 1 ，导程为t ( m ) ，t =( 警d ，则其理论流量为：q = 2 4 8 6 d 3 n + 1( 2 6 9 )螺杆泵口5 l 的输出功率为：n p = 2 0 7 0 9x1 0 - 5 n t q o( 2 7 0 )一2 1 滑油系统的温度模型螺杆泵的输入功率：n ，= n p 向式中，p 为进出1 ：3 压差，n 为总效率：f 2 7 1 )q = t i v t l n( 2 7 2 )q 。为机械效率。螺杆泵的进出口压力计算由伯努利方程计算，螺杆泵的进出口压力取决于流体管路的流阻特性。在油泵的实时计算仿真时，对油泵的启动停止或者由外界干扰时需要加一个惯性延迟环节，以达到实际方针的效果。2 8 板式换热器的压降计算热交换器是船舶轮机中广泛应用的不可缺少的重要设备之一，诸如：主副机滑油冷却器，气缸套淡水冷却器，燃油加热器，蒸汽凝水器，给水加热器等。常用的形式有管壳式、板式、热管式和转轮式。其中板式换热器是针对传统换热器热交换效率低，设备体积大而笨重的缺点，而开发出的较为新型的一种热交换器。目前已在船舶轮机中得到应用。2 8 1 板式换热器的特点( 1 ) 传热效率高( 2 ) 结构紧凑、体积小、占地小( 3 ) 滞液量小( 4 ) 适用性强( 5 ) 热回收率高( 6 ) 不易结垢( 7 ) 投资费用低，使用可靠，寿命长( 8 ) 板式热交换器由于其结构的限制，承压耐温不能太高。2 8 2 板式换热器压降的计算单相流时，液体在板式换热器中的压降主要来自于摩擦阻力，其次还有角孔压降等。液一液型板式换热器的压降计算公式：船舶润滑油管路与燃油管路建模与仿真p = 2 咭p 舻m ( 挚_ 0 1 7( 2 7 3 )f = c r n f( 2 7 4 )f 的计算公式如下：f = ( 2 9 1 7 0 1 2 7 7 p + 2 0 1 6 1 0 3 p 2 ) ( 5 4 7 4 1 9 0 2 口+ 1 8 9 3 西2 5 3 4 0 3 ) o 圳0 5 7 7 咖加6 朋+ 2 1 d( 2 7 5 )两相流时，对于冷凝过程中气液两相区的压降：砩= 仍 b( 2 7 6 )式中，b 为液体压降。锄= 1k cx 1 吾( 2 7 7 )c 值根据不同的板片来选择。另一种计算方法是：研：( x 孑4 + 1 ) 丁5 - 1 1( 2 7 8 )式中，指数n 根据实验来确定。对于沸腾过程压降的计算，目前关于板式换热器作为蒸发器的压降计算公式极少。下面只列出以下关联式作为参考：r e e q 6 0 0 0 时岛r e o 5 = 6 9 4 7 1 0 5 r e 暑1 0 9( 2 7 9 )r e e q26 0 0 0 时f r e o 5 = 3 1 2 1 r e o q 0 4 5 5 7f 2 8 0 )p f ；一2 f , = p c 2 v l d h ( 2 s 1 )式中，d h 为特征长度；g s 为质量流量；b 和西分别为波纹角度和面积扩展系数；v 为比容；x t t 为l o c k h a r t m a r t i n e l l i 系数；r e 为雷诺数；下标，f 为流体；e q 为等价；t p 为两相流；滑油系统的温度模型通常情况下，阻力也可用下式计算：p = ( l d ) ( f l v 2 2 ) n( 2 8 2 )式中：v 一流道中速度；n 一流程数；厂一板片中通道摩擦阻力系数对于不同形状的板片，其通道的摩擦阻力系数相差很大，必须以试验数据作为阻力计算的依据。2 9 柴油机内部的局部阻力系数由于各种柴油机内部【2 6 1 的冷却水通道不尽相同，因此很难通过理论计算的方法求得柴油机内部的局部阻力系数。但可以通过简单的实验得到：在主管路流量已知( 由流量计测出)