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小流量調節閥內部流場及流量特性模擬研究
發布于：2019/8/23 8:59:24 點擊量：170
1 引言
超超臨界火電機組最小流量調節閥又稱鍋爐給水泵再循環閥。在電廠中安裝在給水泵出口，連接至除氧器。鍋爐給水泵把水從除氧器里吸出送往鍋爐。為防止給水泵過熱和汽蝕，要求給水泵的流量在任何情況下都必須不小于某一個規定的安全流量，也就是最小流量。當鍋爐給水需要流量很小時，需及時打開最小流量閥，把一部分高壓水由泵出口處回流到除氧器，以保證給水泵的安全運行。
小流量調節閥運行工況非常惡劣。在小流量調節閥處于開啟狀態時，需要將高溫高壓的水逐級降壓，在降壓過程中盡可能減少汽蝕發生。處于關閉狀態時，需承受高達35MPa甚至更高的靜壓差，做到關閉嚴密。
小流量調節閥因其使用工況惡劣，其節流副應能通過控制流道面積和節流級數而控制介質流速，以及提高節流副阻力系數達到減小流體在閥門流道中產生汽蝕的可能性。由于節流副的主要構成件———迷宮盤其尺寸較小，結構復雜，實物試驗不便。因而數值模擬技術用于研究該種結構可能更方便、準確。
2 節流副結構
閥門結構及節流副結構如圖1和圖2所示。
圖1 最小流量閥結構
圖2 節流副結構
其特點及相關計算如下：
（1）迷宮節流副結構設計
單個迷宮盤上下加工開槽，開槽采用串并聯結構相結合，入口設計為串連結構，經一定的轉彎級數后變為并聯結構。整個迷宮節流副由多片單個的迷宮盤互相交錯疊加，經釬焊而成。
（2）流路設計
因閥門使用介質為液體，采用側進底出，流關型結構，特性曲線為線性，保證在15%～85%開度范圍內能夠正常調節。迷宮的流路設計保證出口的流速小于或接近30m/s，保證對節流副元件的沖刷影響最小。
（3）迷宮芯片設計
迷宮式芯片的設計是為了提高閥門的抗氣蝕功能，利用迷宮式芯包多級降壓的原理，通過強制介質流經一系列的直角彎道，使流速得到完全的控制，達到逐級降壓的目的。設計芯片時主要考慮流體的降壓及氣體體積的膨脹，因此設計溝槽流路時要將流通截面積按一定比例逐級等比放大。
單個迷宮芯片厚度設計為6mm，入口數為12組雙入口，單個溝槽流路上的轉彎級數n取決于壓差，設計為24個拐角。溝槽深度h為2mm，槽入口寬度W為1.5×2=3mm，溝槽流路數N為8×2。迷宮芯片的數量M=Q/qm，設計時取M=40，計算得υ出口=38.6m/s。
3 迷宮流道的模擬
迷宮流道分串聯型、并聯型以及串聯和并聯的組合，模型如圖3所示。
（a）串聯型流道 （b）并聯型流道（c）迷宮盤
圖3 迷宮流道模型示意
對迷宮流道模擬的步驟如下：
（1）建立流道模型及有限元模型；
（2）設置邊界條件：采用進口速度和出口壓力；
（3）設置計算參數：流體介質為液態水，密度為1000kg/m3，動力粘度系數為0.001003Pa?s。湍流模型采用標準k－ε方程；
（4）初始化參數并求解；
（5）觀察結果，分析對比，得出結論。
3.1 串聯型流道分析
對不同進口速度（υin=20、17、14、11、8m/s）時串聯型流道的流動情況進行模擬，得到模型的壓力分布情況如圖4、5所示。
圖4 串聯型流道壓力云圖（υin=20m/s）
圖5 串聯型流道壓降與入口速度的關系
3.2 并聯型流道分析
對不同進口速度（υin=20、17、14、11、8m/s）時并聯型流道的流動進行模擬，得到模型的壓力分布情況如圖6、7所示。
圖6 并聯型流道壓力云圖（υin=20m/s）
圖7 并聯型流道壓降與入口速度的關系
3.3 混合型流道分析
對不同的進口速度（vin=38.6、34.6、30.6、26.6、22.6、18.6、14.6、10.6、6.6、2.6m/s）時混合型流道的流動進行模擬，得到模型的壓力分布情況如圖8、9所示。
圖8 混合型流道壓力云圖（υin=38.6m/s）
圖9 混合型流道壓降與入口速度的關系
從圖4～9可看出，迷宮流道的節流降壓特性具有如下特點：
（1）串聯型流道、并聯型迷宮流道具有均勻降低壓力的功能。隨著流量逐漸增大，壓降均勻增加，符合迷宮式最小流量閥的逐級降壓要求。逐級均勻降壓能減少流體在閥門流道中局部空化和汽蝕，從而保證閥門安全運行。
（2）作為降壓節流的阻力元件，串聯型流道的阻力大。與串聯型流道模塊相比，并聯型流道模塊內的流量小50%，其流速也降低，壓力下降趨緩，在流道下游段未形成縮流，降壓過程比較平緩。
在迷宮流道的設計過程中，可以根據需要進行組合。實際應用時，一般是先讓流體經過一段串聯型流道，讓其在較短的流道和較短的時間內壓力迅速降低，然后再經過并聯型流道，一方面使流體壓力繼續均勻降低，使降壓速度減慢；另一方面，通過流量的均分，使流體的出口速度降低，這樣就可以在保證節流降壓的前提下，使流經迷宮盤上每個流道的流體，在出口處的相互干擾減小，以避免因擾動太大而導致閥體的劇烈振動。
4 調節特性的分析
采用Solidworks軟件建立10%開度的最小流量閥流道模型。利用AnsysWorkbench中的Mes-hing（ICEMCFD）工具對建立的串聯型流道模型進行網格劃分并細化，共產生單元總數3297282個，節點716982個。建立的有限元網格模型如圖10所示。
圖10 10%開啟閥門流道的有限元模型
在10%行程時，υin=0.01m/s時，速度分布及壓力分布如圖11、12所示。
圖11 速度云圖
圖12 速度矢量圖
通過速度矢量圖分析可知，流體在閥腔中的流動呈螺旋狀，這可能由于迷宮盤的串聯型迷宮入口與盤的柱面不是完全垂直而是成一定的角度的原因造成的。
從XY剖面上速度云圖來看，整個流道除節流副附近變化較大外，其余速度變化均很緩慢。靠近出口流道的迷宮盤的出口部分，最上部兩片迷宮盤的流速較大。
通過分別建立10%～90%（每10%建立）行程的調節閥流道模型，并對其進行模擬分析，得出壓力、速度等參數，最后通過相關公式計算得出流動系數及流阻系數，從而分析流量特性是否滿足預期要求。
通過對10%行程的流道進行模擬，得到速度及壓力等參數：
閥門前后管道壓差ΔP=7.936kPa，閥門入口速度υ=0.01m/s。
計算流量系數：
（1）
式中 KV———流量系數
Q———體積流量，m3/s
ρ———流體密度，kg/m3
ΔP———閥門的壓力損失，MPa
各數值代入（1）得出：
KV=126.89
計算流阻系數：
（2）
式中 ξ———流阻系數
υ———平均速度，m/s
各數值代入式（2）得出：
ξ=158.72
通過計算可以看出，流阻系數比一般調節閥的流阻系數高出2～3倍以上，達到了預期的效果。
5 結語
利用Solidworks等建模軟件建立閥門實體模型，利用ANSYS有限元分析軟件，建立閥門有限元分析模型，通過控制流道面積和節流級數而控制介質流速，分析流道的節流降壓特性，以及提高節流副阻力系數達到減小流體在閥門流道中產生汽蝕的可能性，為保證閥門的使用壽命和可靠性提供理論依據。
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