結構參數(shù)對提升閥性能的影響

范宜霖 張繼偉 胡春艷 李樹勛

1.合肥通用機械研究院，合肥，230031 2.蘭州理工大學石油化工學院，蘭州，730050

?

結構參數(shù)對提升閥性能的影響

范宜霖1張繼偉1胡春艷1李樹勛2

1.合肥通用機械研究院，合肥，230031 2.蘭州理工大學石油化工學院，蘭州，730050

針對電站鍋爐中蒸汽吹灰器低能耗、高效率的要求，基于浸入實體方法，研究了提升閥閥座入口收縮角α及出口擴大角β對提升閥開啟過程動態(tài)特性的影響，獲得了不同收縮角及不同擴大角所對應的流量特性曲線。結果表明：α由20°增大至50°時，閥門小開度下的出口流量增加了23%；β由0°增大至15°時，閥門大開度下出口流量增加了56%；結構允許范圍內，增大收縮角可提高閥門小開度下的流量，增大擴大角可提高閥門大開度的流量。

提升閥；閥座；數(shù)值模擬；流量

0 引言

吹灰器提升閥是鍋爐蒸汽吹灰器的重要組成元件，通常位于蒸汽吹灰器的末端，提升閥出口端通過法蘭與吹灰器內管相互連接。蒸汽吹灰器運行過程中，通過控制閥門的啟閉向吹灰器頭部吹灰管提供吹掃介質。性能良好的吹灰器提升閥不僅可以保障蒸汽吹灰器的穩(wěn)定運行，同時可以提高鍋爐系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性。

現(xiàn)有鍋爐蒸汽吹灰器的研究主要集中在吹灰器中噴嘴的設計和整個系統(tǒng)的吹灰優(yōu)化方面[1-3]，針對蒸汽吹灰器中提升閥的研究較少，且研究尚未涉及提升閥的動態(tài)特性及內部流道的結構優(yōu)化。

1 提升閥結構及原理

蒸汽吹灰器提升閥如圖1所示。蒸汽吹灰器提升閥位于整套裝置的最末端，在吹灰器停機狀態(tài)下，彈簧預緊作用力克服閥瓣及閥桿重力，使閥瓣與閥座緊密貼合，閥門處于關閉狀態(tài)。蒸汽吹灰器工作時，吹灰器中與啟動臂相連接的執(zhí)行機構前后移動并帶動啟動臂克服彈簧預緊力，使閥桿向下運動，開啟閥門。閥門工作過程中，可通過調節(jié)調壓盤高度及改變閥門開度，使出口流量達到所需的范圍。

1.啟動臂 2.彈簧 3.調壓盤 4.閥座 5.柔性閥瓣 6.閥體 7.閥桿 8.填料室圖1 提升閥結構Fig.1 Structure of poppet valve

2 數(shù)值模擬基礎

2.1 浸入實體法

浸入實體法是基于ANSYS CFX的一種無需網(wǎng)格變形或重構的動網(wǎng)格計算方法，此方法可以模擬剛性固體在流體域中的運動，計算模型包含一個位于流體域之中的浸入實體域，用來表征剛性固體的形狀、位置、方向和速度。計算過程中，浸入固體域與流體域相互重疊，通過施加動量源項的方法將浸入實體作為流動方程的動量源，從而驅動流體速度達到與固體速度相匹配的目的。通常，浸入實體域的表面網(wǎng)格質量必須非常好，以求解邊界面的形狀，而流體域的網(wǎng)格可以相對粗糙。

圖2是浸入實體法的原理圖，圖中虛線代表浸入固體邊界，剖面線填充區(qū)域為浸入固體域表面穿透的單元，未填充區(qū)域表示直接和穿透單元相鄰的單元。浸入實體法基本公式如下[4-6]：

(1)

(2)

y*=u*Δy/υ

(3)

y*=max(y*,11.06)

(4)

u+=lny*/κ+C

(5)

(6)

(7)

利用式(1)～式(7)，可根據(jù)浸入固體域的速度得到流體域的速度。

圖2 浸入實體邊界原理圖Fig.2 Schematic of immersed solid

2.2 模型的建立與網(wǎng)格劃分

選取公稱直徑DN=100 mm的閥門進行仿真模擬實驗，根據(jù)提升閥結構參數(shù)，在Solidworks中分別建立流體域及浸入實體域模型，圖3所示為流體域及浸入實體域三維模型，流體域為閥門整體流道部分，實體域為閥門、閥芯及閥桿部分。

(a)流體域模型剖視圖(b)浸入實體域模型圖3 流體域及浸入實體域三維模型Fig.3 3-D model of fluid and immersed solid

將模型分別導入ICEM CFD中進行網(wǎng)格劃分，計算過程中需求解浸入實體域邊界面的形狀，故對閥芯及閥桿部分劃分高質量結構化網(wǎng)格，并以全開狀態(tài)下的質量流量為衡量標準進行網(wǎng)格無關性檢驗[7-8]。圖4為流體域及浸入實體域網(wǎng)格劃分示意圖。

(a)流體域網(wǎng)格劃分(b)浸入實體域網(wǎng)格劃分圖4 流體域及浸入實體域網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid of fluid and immersed solid

2.3 閥座結構示意

本文所研究的吹灰器提升閥閥座內流道采用文丘里流線設計。圖5為閥座結構示意圖，其中，α為閥座進口收縮角，β為閥座出口擴大角。

(a)普通閥座結構(b)本文所研究閥座結構圖5 閥座結構Fig.5 Structure of valve seat

3 性能影響研究

3.1 收縮口角度影響分析

本文選取的公稱直徑為100 mm，提升閥設計壓力p=8 MPa，設定工作介質為空氣，介質溫度為25 ℃，入口壓力p1=5 MPa，出口壓力p2=0.1 MPa。

根據(jù)提升閥閥芯在真實工況下的啟閉特征，運用ANSYS CFX中的CEL程序語言編寫閥門開啟過程中閥芯的運動位移曲線。圖6所示為蒸汽提升閥開啟過程中閥芯的位移曲線，其中閥芯最大位移15 mm。

圖6 閥芯位移曲線Fig.6 Displacement of valve core

建立進口收縮角α分別為20°、30°、40°、50°，出口擴大角β恒定為0°的4種流道模型進行數(shù)值模擬實驗。通過對4種模型進行仿真模擬實驗，得到不同進口收縮角下閥門開啟過程的出口流量變化曲線，如圖7所示，不同收縮角度下0.05 s時的流量如表1所示。

圖7 不同α下閥門開啟過程流量曲線Fig.7 Flow curve of different α during opening

α(°)20304050qm(kg/s)0．780．830．910．96

對比圖7及表1中數(shù)據(jù)可見，閥門小開度下即0～0.2 s時，50°縮口的流量曲線位于最上方，0.05 s時，流量達到0.96 kg/s；20°縮口的流量曲線位于最下方，0.05 s時，流量達到 0.78 kg/s；0.2～0.6 s時，不同縮口角度流量曲線逐漸趨于一致；0.6～1 s時，不同縮口角度流量曲線未見明顯的差別，閥門最大開度下的流量值基本一致[9-10]。

3.2 擴口角度影響分析

建立擴口角β大小分別為0°、5°、10°、15°，進口收縮角α恒定為0°的4種流道模型進行數(shù)值模擬實驗。通過對4種模型進行仿真模擬實驗，得到不同出口擴大角下閥門開啟過程的出口流量變化曲線，如圖8所示，不同擴大角下1.0 s時的流量如表2所示。

圖8 不同β下閥門開啟過程流量曲線Fig.8 Flow curve of different β during opening

結合兩者可以看出，閥門小開度下即0～0.3 s時，10°擴口的流量曲線位于最上方，4條曲線所示的流量相近；隨后，10°、15°擴口曲線出現(xiàn)大幅階躍性增長，0.7 s后，二者所對應的流量不再增加，并在0.9 s左右分別達到流量最大值2.67 kg/s和2.77 kg/s ；0°、5°擴口曲線在0.3 s后的增幅較小，在0.7 s后不再增加，并分別在0.9 s達到各自的最大流量值1.77 kg/s和1.99 kg/s。不同擴口角度流量曲線變化趨勢一致但變化幅度差異較大。

3.3 優(yōu)化閥座與常規(guī)閥座對比分析

通過對不同收縮角及擴大角的模型進行模擬計算及理論分析，在考慮閥座尺寸限制并確保閥座結構強度的基礎上，最終選取α為50°、β為10°建立優(yōu)化流道模型，并將其與收縮角α、擴大角β同為0°的普通閥座結構進行對比[11-13]。

圖9 優(yōu)化后閥座與普通閥座流量對比Fig.9 Comparison of optimized valve seat and ordinary valve seat

圖9所示為優(yōu)化閥座結構與普通閥座結構下的閥門流量，可以看出，閥門微啟時，二者的流量基本一致；隨著閥門開度的增大，流量也呈現(xiàn)出大幅的增加。在整個閥門的開啟過程中，優(yōu)化閥座結構的流量均大于普通流道結構，且平均的流量增幅百分比基本維持在50%左右。

4 結論

(1)提升閥閥座流道入口收縮角α對提升閥小開度下的出口流量具有一定影響，對大開度下的流量沒有影響；小開度下，隨著收縮角α的增大，出口流量也相應增大。

(2)提升閥小開度下，隨著閥座流道出口擴大角β的增大，出口流量呈小幅增加趨勢；大開度下，隨著閥座流道出口擴大角β的增大，出口流量呈現(xiàn)出大幅度的增長。

[1] SREB M. Integrated Life Synthesis for Boiler Sootblowers in Fossil Power Plants[J]. Computers and Structures, 1997, 63(6): 1043-1051.

[2] 朱予東,閻維平,歐宗現(xiàn). 熵產(chǎn)分析法在鍋爐吹灰優(yōu)化模型中的應用[J].中國電機工程學報,2008,28(8):13-17. ZHU Yudong, YAN Weiping, OU Zongxian. Application of Entropy Generation Analysis on Research of Sootblowing Optimization for Boiler[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(8):13-17.

[3] 楊衛(wèi)娟,周俊虎,劉建忠,等. 600MW機組鍋爐吹灰器優(yōu)化投用分析[J].熱力發(fā)電, 2005(1):24-26. YANG Weijuan, ZHOU Junhu, LIU Jianzhong, et al. Analysis of Sootblowing Optimization for Boiler for 600MW Unit[J]. Thermal Power Generation, 2005(1): 24-26.

[4] ANSYS Inc. Release 15.0 Documentation for ANSYS [G]. Canonsburg, PA, USA, ANSYS Inc., 2015.

[5] 謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2010． XIE Longhan, ZHAO Xinyu, ZHANG Jiongming. ANSYS CFX Fluid Analysis and Simulation[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry ,2010.[6] 郭昌盛，林騰蛟，呂和生，等.基于浸入固體法的濕式離合器調壓閥流場數(shù)值仿真[J]. 機械研究與應用, 2013(3): 1-3. GUO Changsheng, LIN Tengjiao, LYU Hesheng, et al. Numerical Simulation of Fluid in the Pressure Regulating Valve of Wet Clutch Based on Immersed Solids Method[J]. Mechanical Research & Application,2013(3):1-3.

[7] 紀兵兵，陳金梅．ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分技術實例詳解[M]．北京：水利水電出版社，2012． JI Bingbing, CHEN Jinmei. ANSYS ICEM CFD Meshing Technology Example[M]. Beijing: China Water & Power Press,2012.

[8] 李樹勛，王虎斌，范宜霖，等.氮氣式水擊泄壓閥初啟階段動態(tài)特性研究[J]. 華中科技大學學報(自然科學版),2016,44(7):10-13. LI Shuxun, WANG Hubin, FAN Yilin, et al. Study on Dynamic Characteristics of Nitrogen Surge Relief Valve and in Opening Process[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science), 2016,44(7):10-13.

[9] SONG X G, CUI L, PARK Y C. Three-dimensional CFD Analysis of Spring-loaded Pressure Safety Valve from Opening to Re-closure[C]//Proceedings of the ASME 2010 Pressure Vessels and Piping Division/K-PVP Conference. Washington DC: ASME, 2010:295-303.

[10] 劉亞俊,唐電,魏華剛.清洗機斜盤軸向柱塞泵流道的流場仿真與結構優(yōu)化設計[J]. 中國機械工程, 2013, 24(17): 2358-2361. LIU Yajun, TANG Dian, WEI Huagang. Flow Field Simulation and Structure Optimal Design for Passage in Swash Plate Axial Piston Pump of Pressure Washer[J]. China Mechanical Engineering, 2013, 24(17): 2358-2361.

[11] 李樹勛，范宜霖，葉琛，等.基于改進設計的平衡閥開孔型線優(yōu)化及試驗[J]. 浙江大學學報(工學版), 2015,49(5):908-915. LI Shuxun, FAN Yilin, YE Chen, et al. Optimization and Text for Opening Profile Line of Balance Valve Based on Improved Design[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science) 2015,49(5):908-915.

[12] TAO G, CHEN H Y, J Y Y. Optimal Design of the Magnetic Field of a High-speed Response Solenoid Valve [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 129(1/3): 555-558.

[13] 弓永軍，周華，楊華勇.結構參數(shù)對先導式純水溢流閥性能的影響[J]. 浙江大學學報(工學版),2006,40(5):869-873. GONG Yongjun, ZHOU Hua, YANG Huayong. Properties of Pilot Operated Water Hydraulic Relief Valve with Different Structure Parameters[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science) , 2006,40(5):869-873.

(編輯 張 洋)

Influences of Structural Parameters on Properties of Poppet Valves

FAN Yilin1ZHANG Jiwei1HU Chunyan1LI Shuxun2

1.Hefei General Machinery Research Institute,Hefei,2300312.College of Petrochemical Technology,Lanzhou University of Technology,Lanzhou,730050

For the requirements that steam soot blowers of utility boiler should have high efficiency and low cost, based on immersed solid method, the influences of shrinkage angleαand expansion angleβon the opening dynamic characteristics were studied, and the flow curves of different shrinkage angles and different enlargement angles were obtained. The results show that flow rate increases 23% at the small opening whenαincreases from 20° to 50°, flow rate increases 56% at the large opening whenβincreases from 0° to 15°. Increasing shrinkage angle may improve the flow rate at the small opening, and increasing expansion angle may improve the flow rate at the large opening within the ranges of the structure.

poppet valve； valve seat； numerical simulation； flow rate

2016-09-29

TK175

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.14.013

范宜霖，男，1989年生。合肥通用機械研究院助理工程師。主要研究方向為控制類閥門應用及動態(tài)特性等。發(fā)表論文6篇。E-mail:fyl527626@163.com。張繼偉，男，1978年生。合肥通用機械研究院高級工程師。胡春艷，女，1986年生。合肥通用機械研究院助理工程師。李樹勛，男，1973年生。蘭州理工大學石油化工學院教授。