球型調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動(dòng)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

魯敬妮， 屠 珊， 王紅娟， 杜 洋， 洪振瀚

(西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049)

球型調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動(dòng)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

魯敬妮， 屠 珊， 王紅娟， 杜 洋， 洪振瀚

(西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049)

以球型調(diào)節(jié)閥實(shí)體為依據(jù)建立數(shù)值模擬模型，研究小升程下閥內(nèi)流體的流動(dòng)特性,并基于流動(dòng)分析進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化.結(jié)果表明:小升程下閥內(nèi)流型交變，流場(chǎng)不穩(wěn)定因素主要表現(xiàn)為環(huán)形通道氣流速度較高、靜壓變化劇烈，閥碟下方存在低速高靜壓的漩渦區(qū)，閥座及擴(kuò)壓段區(qū)域壁面附近存在低速流體區(qū)域;在閥腔加裝270°節(jié)流擋板、一定程度增大入口管徑以及在閥碟下表面開圓柱形槽，都能夠改善小升程下流場(chǎng)極不穩(wěn)定的情況；加裝270°節(jié)流擋板后，閥碟橫向受力減為原來(lái)的0.08倍；當(dāng)入口管徑增大20%時(shí)閥碟受力最小，其中橫向受力減小約12%.

球型調(diào)節(jié)閥； 流動(dòng)特性； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化； 數(shù)值模擬

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥通過改變自身開度來(lái)控制汽輪機(jī)組的啟停及負(fù)荷變化，且是機(jī)組控制系統(tǒng)中執(zhí)行快關(guān)動(dòng)作的元件，其調(diào)節(jié)能力對(duì)機(jī)組的安全、高效運(yùn)行具有重要意義.然而在運(yùn)行過程中調(diào)節(jié)閥閥體振動(dòng)、噪聲以及由此引發(fā)的閥桿斷裂、閥座破壞等事故卻時(shí)有發(fā)生[1-2]，這使得蒸汽流量和機(jī)組輸出功率在較大范圍內(nèi)波動(dòng).閥桿和閥碟振動(dòng)可歸結(jié)為流固耦合問題.在該類問題中，流體與通流結(jié)構(gòu)是振動(dòng)系統(tǒng)中相互作用的兩個(gè)方面[3-4]，因而解決振動(dòng)的根本措施是從流體動(dòng)力學(xué)角度來(lái)研究流道內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)，揭示流動(dòng)的不穩(wěn)定性[5-7]，并以此為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).許多學(xué)者已針對(duì)閥內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行了大量研究，曾立飛等[8]采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，研究在對(duì)閥碟施加不同振幅和頻率的情況下調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)的變化情況，探討流固耦合中固體域變形對(duì)流體域的影響，結(jié)果表明閥碟振幅較大時(shí)，應(yīng)該考慮閥碟振動(dòng)對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)的影響，閥碟振動(dòng)頻率也會(huì)對(duì)閥碟表面的壓力產(chǎn)生顯著影響.盛偉等[9]對(duì)1 000 MW汽輪機(jī)高壓主汽閥閥殼進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析得到啟動(dòng)工況時(shí)的閥殼溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)得出在綜合應(yīng)力中，熱應(yīng)力對(duì)閥殼損傷程度要大于蒸汽壓力產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)閥殼損傷程度.Lisowski等[10]首先采用數(shù)值模擬方法研究了特定開度下的流量系數(shù)，并根據(jù)模擬結(jié)果創(chuàng)建了比例換向閥流量系數(shù)與其影響因素間的3個(gè)近似函數(shù)，然后通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)近似函數(shù)的準(zhǔn)確性.總結(jié)之前的研究成果可知，在非全開狀態(tài)下，閥內(nèi)極易出現(xiàn)射流沖擊、漩渦、混合等不穩(wěn)定流動(dòng)因素，尤其在小開度時(shí)，環(huán)形通道中靜壓急劇下降，氣流速度過快，流型交變,流場(chǎng)極不穩(wěn)定.筆者在分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，掌握球型調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動(dòng)細(xì)節(jié)，找出流場(chǎng)不合理的地方，并據(jù)此采取適當(dāng)措施改善流體在閥內(nèi)的流動(dòng)特性，以求優(yōu)化調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)性能,提高流動(dòng)效率和安全性.

1 數(shù)值計(jì)算與流動(dòng)特性分析

以球型調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，依據(jù)實(shí)際尺寸建立其內(nèi)部流道的三維幾何模型.由于調(diào)節(jié)閥型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此處采用分區(qū)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分流體域，具體的分區(qū)以及對(duì)應(yīng)區(qū)域的網(wǎng)格類型和網(wǎng)格間距如表1所示.圖1為該調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道幾何模型和網(wǎng)格劃分情況.

表1 球型調(diào)節(jié)閥流體域網(wǎng)格劃分

圖1 球型調(diào)節(jié)閥流體域三維幾何模型及網(wǎng)格劃分示意圖

為驗(yàn)證所用計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，在壓比為0.85工況下模擬計(jì)算不同開度下的球型調(diào)節(jié)閥質(zhì)量流量，并與實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)流量系數(shù)曲線進(jìn)行對(duì)比,如表2所示.因各開度下質(zhì)量流量的相對(duì)誤差均小于5%，因此本次模擬的有效性得到驗(yàn)證.

采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)某小升程范圍(5%～10%)內(nèi)的變開度非穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，將動(dòng)區(qū)域與閥座的交界面及動(dòng)區(qū)域與閥腔交界面均設(shè)置為interface，而閥碟底面1和閥碟球面2均為運(yùn)動(dòng)邊界.采用網(wǎng)格重構(gòu)的方法為Spring Smoothing和Remeshing.選取時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 ms，共計(jì)算200個(gè)時(shí)間步，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)迭代200次.根據(jù)調(diào)節(jié)閥開啟速度設(shè)定閥碟底面1和閥碟球面2的運(yùn)動(dòng)速度為0.1 m/s,通過Profile文件來(lái)定義閥碟運(yùn)動(dòng)為valve.

表2 壓比0.85工況下的質(zhì)量流量和相對(duì)誤差

入口和出口均設(shè)置為壓力邊界條件，入口總壓為6.28 MPa，入口溫度為800 K，出口壓力根據(jù)壓比確定，設(shè)置壁面絕熱條件.在閥座喉部布置3個(gè)間隔90°的測(cè)點(diǎn)，記為測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4，其中測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4分別位于背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)，測(cè)點(diǎn)3位于y軸負(fù)方向，具體位置如圖2所示，為便于觀察，圖中把閥腔刪除，上半部分為閥桿閥碟系統(tǒng)，下半部分為閥座及閥座擴(kuò)壓段.

圖2 閥座喉部各壓力測(cè)點(diǎn)位置示意圖

本次數(shù)值模擬的主要目的是研究定壓比、小升程下隨著閥碟相對(duì)開度的增大閥內(nèi)流型的變化情況，以及某一特定升程下隨著壓比的變化閥座喉部測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)均方根值的變化，從而綜合升程、壓比兩方面找出閥內(nèi)流動(dòng)最復(fù)雜的工況以及流場(chǎng)不合理的地方，為球型調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)和優(yōu)化方向.為便于在流型分析中描述特定位置處的流動(dòng)情況，規(guī)定入口側(cè)對(duì)應(yīng)的位置為迎風(fēng)側(cè)，而與迎風(fēng)側(cè)相對(duì)的位置為背風(fēng)側(cè).

研究小升程下隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加閥內(nèi)流型的變化是在定壓比0.7工況下進(jìn)行的.從圖3可以看出，小升程下，閥碟和閥座構(gòu)成的環(huán)形通道成為整個(gè)閥內(nèi)流道的第一個(gè)喉部，該結(jié)構(gòu)使得流入其中的蒸汽迅速膨脹，完成壓力能向動(dòng)能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，環(huán)形通道中出現(xiàn)超音速流動(dòng)且靜壓變化劇烈.當(dāng)流體從入口管道進(jìn)入閥腔時(shí)，部分高速低靜壓流體直接進(jìn)入閥碟，在與閥座構(gòu)成的環(huán)形通道迎風(fēng)側(cè)形成貼附閥碟流，該流型使得流體劇烈的壓力波動(dòng)很容易傳遞到閥碟，引起閥碟表面的壓力波動(dòng)，進(jìn)而閥碟表面所受橫向力也會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng).閥門開度較小使得從環(huán)形通道流出的兩股加速蒸汽在閥座中形成對(duì)沖，對(duì)沖后的高速氣流向下偏轉(zhuǎn)過程中會(huì)因氣體的黏性作用而抽吸對(duì)沖區(qū)域上部的低速區(qū)域流體，使得局部壓力下降，同時(shí)新的氣流回來(lái)補(bǔ)充被帶走的氣流，因而在閥碟下方的低速流體區(qū)域存在高靜壓、低速的小漩渦區(qū)，習(xí)慣上稱之為空穴區(qū)，漩渦產(chǎn)生的回流會(huì)周期性地沖擊閥碟.上述2種流動(dòng)情況都會(huì)危及調(diào)節(jié)閥運(yùn)行的安全性.

小升程時(shí)，由于流量較小，閥座及出口擴(kuò)壓段中來(lái)自環(huán)形通道的貼附閥碟流在流道中間匯聚，其余靠近壁面的氣流速度較低，并在此區(qū)域形成漩渦，造成流動(dòng)損失.圖4為壓力測(cè)點(diǎn)處?kù)o壓以及壓力脈動(dòng)均方根值隨開啟時(shí)間的變化趨勢(shì).由圖4可知，小升程(5%～10%)時(shí)，壓力測(cè)點(diǎn)處?kù)o壓值和壓力脈動(dòng)均方根值隨壓比發(fā)生跳躍式的劇烈變化.綜上分析可知，小升程下閥內(nèi)流型交變、流場(chǎng)極不穩(wěn)定.

(a) 相對(duì)升程為5.5%

(b) 相對(duì)升程為7.5%

(c) 相對(duì)升程為10%

因而在閥腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，要從小升程下的流動(dòng)特性去尋找優(yōu)化途徑，以改善環(huán)形通道中的貼附閥碟流，這樣既可以防止流體劇烈的壓力波動(dòng)通過流體與固體界面的相互作用而傳遞到閥碟表面，引起閥碟表面受力的變化，還可以改善閥座及擴(kuò)壓段中壁面附近區(qū)域的回流;另一方面就是要改善空穴區(qū)的流動(dòng)情況，預(yù)防該區(qū)域產(chǎn)生的漩渦周期性沖擊閥碟.

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及受力分析

基于上述小升程下調(diào)節(jié)閥內(nèi)流型及閥內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)的壓力波動(dòng)分析，主要從閥腔加裝節(jié)流擋板、增大入口管徑和在閥碟上開槽3方面對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.所有研究模型結(jié)構(gòu)變化的模擬均在定壓比0.7、相對(duì)升程為10%的工況下進(jìn)行，且均為穩(wěn)態(tài)模擬，主要通過驗(yàn)證改造后的結(jié)構(gòu)能否改善流動(dòng)狀況來(lái)說(shuō)明此結(jié)構(gòu)是否合理.

(a)

(b)

2.1 閥腔加裝多孔節(jié)流擋板

所研究的2種結(jié)構(gòu)形式的節(jié)流擋板分別為270°節(jié)流擋板和180°節(jié)流擋板，其結(jié)構(gòu)及安裝位置如圖5所示.

(a) 270°節(jié)流擋板的結(jié)構(gòu)圖

(b) 270°節(jié)流擋板安裝位置

(c) 180°節(jié)流擋板安裝位置

圖6給出了加裝節(jié)流擋板前后球型調(diào)節(jié)閥內(nèi)的三維流線圖.由圖6可知，與原型閥相比，加裝180°節(jié)流擋板后,環(huán)形通道中迎風(fēng)側(cè)流體由貼附閥碟流轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鳎筹L(fēng)側(cè)流體由貼附閥座流轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞?，兩股流體在閥座中心撞擊，主流位于閥座中心.但閥座迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)都出現(xiàn)了漩渦，閥座流場(chǎng)存在很大的不穩(wěn)定因素.加裝270°節(jié)流擋板后,環(huán)形通道中迎風(fēng)側(cè)流體由貼附閥碟流轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞?，流體的壓力波動(dòng)不再容易傳遞到閥碟，雖然也在閥座迎風(fēng)側(cè)形成漩渦，但漩渦強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于原型閥迎風(fēng)側(cè).且在閥座背風(fēng)側(cè)沒有形成大漩渦，流型依然為貼附閥座流動(dòng)，流動(dòng)穩(wěn)定.閥腔內(nèi)無(wú)論加裝哪種節(jié)流擋板，擴(kuò)壓段中流體匯聚在中間流道而使得靠近壁面區(qū)域出現(xiàn)回流的情況都有所改善.

(a) 原型閥

(b) 加裝180°節(jié)流擋板

(c) 加裝270°節(jié)流擋板

從球型調(diào)節(jié)閥的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看小升程下閥內(nèi)出現(xiàn)的是橫向振動(dòng)，因此該處也就加裝節(jié)流擋板前后閥碟受力進(jìn)行分析.從表3可以看出，在閥腔中加裝節(jié)流擋板可顯著減小閥碟橫向受力，加裝180°節(jié)流擋板后閥碟橫向受力相對(duì)于原型閥減小58.2%，加裝270°節(jié)流擋板閥碟橫向受力相對(duì)于原型閥減小92.4%，即僅為原型閥橫向受力的0.08倍.而加裝節(jié)流擋板后閥碟縱向受力只有小幅減小，基本維持不變.

表3 閥腔內(nèi)加裝節(jié)流擋板前后閥碟受力情況

綜上所述，與原型閥和加裝180°節(jié)流擋板相比，在閥腔加裝270°節(jié)流擋板能夠顯著促進(jìn)流場(chǎng)穩(wěn)定，減小閥碟橫向受力，降低中等壓比、小升程下閥內(nèi)發(fā)生閥碟振動(dòng)的可能性.

2.2 增大入口管徑

將調(diào)節(jié)閥的入口管徑分別在原型閥基礎(chǔ)上增大10%、20%和30%，其三維流線圖見圖7.對(duì)比圖6(a)、圖7(a)和圖7 (b)可以看出，隨著調(diào)節(jié)閥入口管徑的增大，環(huán)形通道中迎風(fēng)側(cè)流體貼附閥碟流動(dòng)現(xiàn)象在減弱，閥座迎風(fēng)側(cè)的漩渦在減小，流動(dòng)趨向均勻.但從圖7(c)可以看到，當(dāng)入口管徑增大過大時(shí)，閥座喉部迎風(fēng)側(cè)漩渦又出現(xiàn)增大趨勢(shì).

表4給出了入口管徑增大前后球型調(diào)節(jié)閥閥碟受力情況.從表4可以看出，隨著入口管徑的增大，調(diào)節(jié)閥閥碟的橫向受力和縱向受力均先減小后增大.當(dāng)入口管徑增大20%時(shí)，閥碟的橫向受力和縱向受力最小，其中橫向受力減小約12%，縱向受力減小幅度較小.因此，增大球型調(diào)節(jié)閥入口管徑可以改善流動(dòng)狀況、減小閥碟受力，但是存在一個(gè)最佳增大值，就本文研究而言，入口管徑增大20%時(shí)為最優(yōu).

(a) 入口管徑增大10%

(b) 入口管徑增大20%

(c) 入口管徑增大30%

表4 入口管徑增大前后球型調(diào)節(jié)閥閥碟受力情況

2.3 閥碟上開槽

在閥碟底部正中間開一個(gè)圓柱形槽，槽底面直徑為63 mm、高為20 mm，閥碟底部開槽前后球型調(diào)節(jié)閥yz截面的速度矢量圖見圖8.對(duì)比圖8(a)和圖8(b)可以看出，原型閥環(huán)形通道中迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)流體撞擊位置偏向背風(fēng)側(cè)，迎風(fēng)側(cè)為貼附閥碟流，閥座迎風(fēng)側(cè)壁面附近存在低速流體區(qū)域，該區(qū)域必將存在回流，空穴區(qū)存在漩渦.而開槽后環(huán)形通道中迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)流體撞擊位置偏向閥座中心，且閥座迎風(fēng)側(cè)大漩渦強(qiáng)度有所減弱，同時(shí)可以看到在槽內(nèi)出現(xiàn)相比于空穴區(qū)較小的漩渦，說(shuō)明原本空穴區(qū)因抽吸作用而產(chǎn)生的漩渦在槽內(nèi)得到緩沖，降低了對(duì)閥碟的周期性沖擊作用.因此在閥碟底部開槽有助于提高小升程調(diào)節(jié)閥的流動(dòng)穩(wěn)定性，改善閥座及擴(kuò)壓段區(qū)域壁面附近的回流，并且降低閥碟產(chǎn)生周期性波動(dòng)的可能性.

(a) 原型閥

(b) 閥碟上開槽

在對(duì)流動(dòng)不穩(wěn)定性改善情況進(jìn)行理論分析的同時(shí)進(jìn)行了壓損數(shù)據(jù)分析(見表5)，研究表明閥碟開槽后壓損較開槽前降低0.37%.

表5 球型調(diào)節(jié)閥底部開槽前后閥內(nèi)壓力損失情況

3 結(jié) 論

(1) 在閥腔加裝270°節(jié)流擋板能使環(huán)形通道中的貼附閥碟流轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞?，閥碟橫向受力相對(duì)于原型閥減小92.4%.

(2) 入口管徑增大20%使得環(huán)形通道中迎風(fēng)側(cè)流體貼附閥碟流動(dòng)現(xiàn)象在減弱，閥座迎風(fēng)側(cè)的漩渦在減小，相比于其他增大比例，此時(shí)閥碟受力最小，其中橫向受力減小約12%.

(3) 閥碟下表面開圓柱形槽使得射流撞擊位置偏向閥座中心，閥座迎風(fēng)側(cè)大漩渦強(qiáng)度有所減弱，在槽內(nèi)出現(xiàn)相比于空穴區(qū)較小的漩渦.

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FlowCharacteristicsandStructureOptimizationofaBall-typeControlValve

LUJingni,TUShan,WANGHongjuan,DUYang,HONGZhenhan
(School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

A numerical simulation model was established according to the entity of a ball-type control valve, so as to study the fluid flow in the valve under small lift conditions, and to optimize the valve structure on the basis of flow analysis. Results show that the flow pattern alters in the valve under small lift conditions, indicating in the form of high flow velocity and violent static pressure variation in the annular channel, low-speed and high static-pressure vortex area below the valve disc, as well as low-speed backflow zone near the wall of valve seat and diffuser section. The flow instability under small lift conditions can be improved by installing a 270° throttling damper in the valve chamber, increasing the diameter of inlet pipe to a certain extent, and cutting cylindrical slot on the lower surface of valve disc, etc. The lateral force imposed on valve disc drops to 0.08 times of its original after installing a 270° throttling damper, which would be reduced by about 12% once the diameter of inlet pipe is increased by 20%.

ball-type control valve; flow characteristic; structure optimization; numerical simulation

2016-11-04

2017-01-12

魯敬妮(1993-)，女，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊崃ο到y(tǒng)優(yōu)化及復(fù)雜流動(dòng)數(shù)值研究.

屠 珊(通信作者)，女，副教授，博士,電話(Tel.)：13609202731;E-mail：tushan@mail.xjtu.edu.cn.

1674-7607(2017)12-0963-06

TK26

A

470.30