多級(jí)籠式套筒減壓閥的設(shè)計(jì)及閥口流量特性研究

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(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所， 湖北 武漢 430064；2.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院， 北京 100124)

引言

我國船舶蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)汽輪給水泵組屬于小容量機(jī)組，一般配置自力式開關(guān)型最小流量再循環(huán)閥。即在汽輪給水泵流量小到某一限值時(shí)，最小流量再循環(huán)閥在給水壓差作用下直接從全關(guān)狀態(tài)開啟到全開狀態(tài)。 從實(shí)際使用效果看， 所配置的再循環(huán)閥能保護(hù)給水泵在小流量工況下的安全性，但存在小流量工況時(shí)機(jī)組振動(dòng)噪聲顯著放大的現(xiàn)象[1-3]。由于船舶給水機(jī)組的常用工況恰好為小流量工況，從而使給水泵機(jī)組成為整船重要的振動(dòng)噪聲源，需要進(jìn)行振動(dòng)噪聲的治理。

根據(jù)船上的空間與功能要求，結(jié)合給水調(diào)節(jié)閥的功能特點(diǎn)，提出了新型聯(lián)動(dòng)再循環(huán)閥的概念。即設(shè)置一個(gè)與給水閥具有聯(lián)動(dòng)功能的回水閥門，利用原有的給水調(diào)節(jié)閥的一個(gè)電動(dòng)執(zhí)行器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥以及回水閥門[3]。當(dāng)處于給水調(diào)節(jié)閥開度較小的工況下，聯(lián)動(dòng)打開回水閥門，使給水泵流量不至于太小，可避免使給水泵運(yùn)行在振動(dòng)較大的工況，從而滿足給水泵的工作安全性。如圖1所示，回水調(diào)節(jié)閥與給水調(diào)節(jié)閥并聯(lián)布置，兩者通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，并由給水調(diào)節(jié)閥原有的1個(gè)電動(dòng)頭來驅(qū)動(dòng)閥桿。2個(gè)閥門各有1個(gè)進(jìn)水口與1個(gè)出水口，為了提高單個(gè)閥門的可維修性，將2個(gè)閥門進(jìn)行分體式布置。本研究運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真研究，得到不同閥口開度下流場(chǎng)的壓力、速度分布以及流量系數(shù)等流量特性參數(shù)，并將仿真與試驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證理論研究的正確性，為回水調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)與研究提供依據(jù)。

圖1 回水調(diào)節(jié)閥與給水調(diào)節(jié)閥聯(lián)動(dòng)原理方案

1 多級(jí)籠式套筒減壓閥結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 多級(jí)籠式套筒減壓閥結(jié)構(gòu)介紹

多級(jí)籠式套筒減壓閥由回水調(diào)節(jié)閥本體和連桿機(jī)構(gòu)兩大部分組成，如圖2所示，閥的主要性能參數(shù)見表1，其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括：

圖2 回水調(diào)節(jié)閥及傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)原理圖

類別數(shù)值公稱壓力/MPa10公稱通徑/mm80工作溫度/℃65～104額定進(jìn)口壓力/MPa3．5出口壓力/MPa0．4額定流量/m3·h-170閥桿行程/mm75

(1) 閥芯和籠罩組合成兩級(jí)減壓結(jié)構(gòu)，閥門調(diào)節(jié)過程中，兩級(jí)的開度相匹配，可充分利用每級(jí)的減壓節(jié)流效能，控制每一級(jí)壓差，防止發(fā)生空泡噪音；

(2) 閥芯與閥桿為分體活動(dòng)結(jié)構(gòu)。閥芯下行需閥桿先下行，閥桿下端臺(tái)階與閥芯脫離，然后在彈簧力作用下閥芯下行至閥桿的相應(yīng)位置，即實(shí)現(xiàn)閥芯與閥桿的隨動(dòng)。閥芯上行時(shí)，靠閥桿的臺(tái)階拉動(dòng)；

(3) 閥桿采用17-4PH材料，具有較好耐腐蝕性能，并具有較高的屈服強(qiáng)度。閥桿上開有孔與槽，以實(shí)現(xiàn)閥芯上下水壓力的平衡；

(4) 閥芯兩級(jí)外徑差、以及彈簧設(shè)計(jì)兼顧了閥門密封力以及電動(dòng)頭提升力能力的要求；

(5) 閥座接觸面以及閥芯外表面采用了表面低壓固氮處理技術(shù)，提高抗沖蝕能力。閥芯和閥桿的密封圈采用特殊聚四氟乙烯，以降低閥芯、閥桿分別與閥蓋運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力；

(6) 連桿1、連桿2與連桿機(jī)構(gòu)通過球形頭活套連接，實(shí)現(xiàn)連桿1、連桿2上下直線自由運(yùn)動(dòng)，杠桿圓周自由運(yùn)動(dòng)；

(7) 連桿機(jī)構(gòu)的活動(dòng)部件采用粉末治金和38CrMoAl等摩擦系數(shù)較小或耐磨擦材料，并采用表面氮化等相關(guān)工藝來提高其表面硬度，從而滿足活動(dòng)副的要求。

2 多級(jí)籠式套筒減壓閥流場(chǎng)仿真

2.1 控制方程

由于該計(jì)算域結(jié)構(gòu)體相對(duì)較復(fù)雜，因而流動(dòng)比較復(fù)雜，并且流體為不可壓低速流，可應(yīng)用RNGk-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流進(jìn)行理論建模[4]：

動(dòng)量方程為：

(1)

式中，ρ為介質(zhì)的密度，ui、uj分別為沿i、j方向的速度分量，p為壓力，u為水的動(dòng)力黏度。

渦動(dòng)動(dòng)能方程為：

(2)

式中，k為渦動(dòng)動(dòng)能系數(shù)，ε為渦動(dòng)動(dòng)能耗散率。

渦動(dòng)動(dòng)能耗散率方程為：

(3)

式中，Cε1、Cε12為模型計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

(4)

渦黏性系數(shù)ut為：

ut=ρCμk2/ε

(5)

渦動(dòng)動(dòng)能生成項(xiàng)P為：

(6)

式中，um為沿m方向的速度分量。

2.2 網(wǎng)格劃分

運(yùn)用三維軟件SolidWorks對(duì)回水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行三維建模，并提取不同閥口開度的流體域，導(dǎo)入FLUENT軟件中對(duì)流體域進(jìn)行計(jì)算的前處理[5]。由于回水調(diào)節(jié)閥多級(jí)減壓閥口處幾何特征較為復(fù)雜，為了保證計(jì)算的精度，采用分塊網(wǎng)格劃分的方法劃分網(wǎng)格，在進(jìn)出水口處以結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，閥體流道部分以非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)多級(jí)閥口處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。圖3所示為回水閥在開度為50%時(shí)流體域的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為20975個(gè)。

圖3 回水調(diào)節(jié)閥流體域網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 邊界條件及計(jì)算方法

運(yùn)用采用基于壓力速度耦合的SIMPLE算法對(duì)回水調(diào)節(jié)閥口進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算[6]，設(shè)置的邊界條件為：

(1) 入口壓力為3.5 MPa，出口壓力為0.4 MPa；

(2) 采用水為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，溫度70 ℃時(shí)水的密度為977.8 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.406×10-3Pa·s，運(yùn)動(dòng)黏度為0.415×10-6m2/s；

(3) 不考慮流體的熱量交換，即假定壁面絕熱，壁面和流體之間沒有熱交換；

(4) 收斂精度設(shè)置為10-4，迭代步數(shù)為2000。

3 數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)仿真結(jié)果

圖4、圖5分別為閥口開度為50%和100%時(shí)的回水閥的壓力分布云圖。由圖4可知，回水調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口段的壓力分布較為均勻， 在閥芯的減壓孔和籠罩的減壓孔連通處產(chǎn)生明顯的壓降，壓力值由2.5 MPa降為1.5 MPa。當(dāng)閥口開度為100%時(shí)，回水調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口處的壓力分布變化不大，而閥口處的壓力下降區(qū)域變大，減壓效果增強(qiáng)，說明隨著閥口開度的增大，回水閥的減壓效果更加明顯。

圖4 閥口開度50%時(shí)對(duì)稱面上壓力分布云圖

圖5 閥口開度100%時(shí)對(duì)稱面上壓力分布云圖

圖6、圖7分別為閥口開度為50%和100%時(shí)的回水閥的速度分布云圖。由圖可知，閥口開度100%時(shí)回水調(diào)節(jié)閥入口段的速度分布比50%時(shí)均勻，且閥口處的速度增大更為明顯，最大流速達(dá)到1000 m·s-1。而在入口段的右下側(cè)及出口段右上側(cè)流道拐角處流速為0 m·s-1，即此處為回水閥門工作時(shí)介質(zhì)流動(dòng)的閉死區(qū)域。

圖6 閥口開度50%時(shí)對(duì)稱面上速度分布云圖

圖7 閥口開度100%時(shí)對(duì)稱面上速度分布云圖

3.2 流量特性曲線

為驗(yàn)證閥門流量特性，委托國家泵閥產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了流量特性檢測(cè)。測(cè)試項(xiàng)目主要包括回水閥在各種開度下的雷諾數(shù)、流量系數(shù)、流阻系數(shù)、閥門升程流量特性曲線等。數(shù)值仿真和試驗(yàn)得到的開度(h)-流量(q)曲線對(duì)比如圖8所示，可以看出仿真和試驗(yàn)結(jié)果總體上吻合性較好。

圖8 閥口開度-流量曲線圖

4 結(jié)論

(1) 具有聯(lián)動(dòng)功能的回水調(diào)節(jié)閥能夠在汽輪給水泵組小流量工況下提供足夠的給水量，提高給水泵的工作流量，提高給水泵的工作安全性。

(2) 閥口開度越大，回水調(diào)節(jié)閥口處的壓力下降越明顯，且內(nèi)部流體的速度分布越均勻，即閥的減壓性能越好。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果顯示，回水調(diào)節(jié)閥在額定給水壓力下的最大流量為71 m3·h-1，與仿真計(jì)算值基本吻合，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，且開度流量特性曲線線形度好，滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

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