迷宮式最小流量閥節(jié)流盤(pán)片流道優(yōu)化 對(duì)流動(dòng)特性的改善

劉來(lái)全，蔣 勁，李燕輝，趙文勝

(武漢大學(xué)水力機(jī)械過(guò)渡過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

0 引 言

在火電廠高壓供水系統(tǒng)中，最小流量閥是運(yùn)行工況最?lèi)毫拥恼{(diào)節(jié)閥之一[1]，常伴有漏流、汽蝕、振動(dòng)和噪音等問(wèn)題。最小流量閥的作用是保護(hù)鍋爐給水泵，當(dāng)給水泵輸送流量減少到其最小額定流量時(shí)，最小流量閥自動(dòng)開(kāi)啟，將高溫高壓的給水逐級(jí)降壓，使部分高壓給水回流到除氧器(或冷凝器)，防止給水泵過(guò)熱或汽蝕，從而保證泵的安全運(yùn)行。同時(shí)將余熱循環(huán)利用，能有效節(jié)約能源[2]。

許多學(xué)者對(duì)最小流量閥在工程中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究工作：張建華等[3]對(duì)150Tz668Y-450W型最小流量閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到閥內(nèi)的壓力、速度、振動(dòng)和噪聲等情況，表明逐級(jí)穩(wěn)定降壓和限制流速上升過(guò)快是迷宮式節(jié)流的優(yōu)勢(shì)；蔣旭平等[4]將迷宮式最小流量閥的流道分為串聯(lián)型和并聯(lián)型，分別進(jìn)行模型試驗(yàn)并分析流道中的壓力分布特性，得出串聯(lián)型流道的阻力系數(shù)較并聯(lián)型流道大的結(jié)論；高緒學(xué)等[5]從結(jié)構(gòu)原理上分析在最小流量閥中采用多級(jí)節(jié)流減壓的方式來(lái)防止汽蝕的必要性，并舉例介紹DRAG型、Turbo-Cascade型和Hush-Ⅱ型等三種最小流量再循環(huán)閥的主要技術(shù)性能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；王志強(qiáng)、謝相彬等[6-7]分別提出最小流量閥控制方法的改進(jìn)方案，前者主要研究回滯函數(shù)和增大單一函數(shù)等兩種改進(jìn)的數(shù)學(xué)模型控制方法，后者則著重于工程設(shè)計(jì)中具體控制方案的對(duì)比與改進(jìn)。

以上研究主要集中在最小流量閥整體結(jié)構(gòu)性能或輔助部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，對(duì)核心部分——閥內(nèi)降壓元件的設(shè)計(jì)及進(jìn)行水力特性?xún)?yōu)化的研究較少。一般來(lái)說(shuō)，迷宮式最小流量閥的主要節(jié)流減壓部件設(shè)計(jì)成多級(jí)套筒結(jié)構(gòu)，閥腔流道則設(shè)計(jì)成拋物線型使腔內(nèi)流體切線方向進(jìn)入(流關(guān)型)或離開(kāi)(流開(kāi)型)套筒，從而避免對(duì)套筒(流關(guān)型)或閥體壁(流開(kāi)型)的直接沖刷。套筒盤(pán)片中的流動(dòng)通道設(shè)計(jì)成迷宮型多流道直角轉(zhuǎn)折形式，利用多級(jí)節(jié)流、逐級(jí)降壓的方法，將高壓差的能量平穩(wěn)的消耗在整個(gè)節(jié)流過(guò)程中[8]，同時(shí)防止閃蒸或汽蝕的產(chǎn)生。目前，對(duì)于大多數(shù)的迷宮式最小流量閥，雖然能實(shí)現(xiàn)逐級(jí)降壓，但壓降大部分集中在迷宮流道的前幾個(gè)降壓級(jí)，容易引起盤(pán)片材料的強(qiáng)烈沖刷和侵蝕，閥門(mén)工作不穩(wěn)定。如本次研究的T948Y-1500Lb-WCB型迷宮式最小流量閥，其在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有較大振動(dòng)和噪音問(wèn)題，主要原因是降壓過(guò)程不夠平穩(wěn)，盤(pán)片流道中存在較多的壓力突變區(qū)域，直接導(dǎo)致振動(dòng)和噪音的產(chǎn)生。在此提出以連接各迷宮流道的連接槽結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使壓降均勻分布在所有降壓級(jí)上，且改善節(jié)流盤(pán)片套筒的進(jìn)口流態(tài)。

1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

迷宮式最小流量閥的節(jié)流副為迷宮型，由多層迷宮式盤(pán)片疊加后經(jīng)真空錫焊而成，本次研究的T948Y-1500Lb-WCB型最小流量閥總體及優(yōu)化前后的節(jié)流盤(pán)片結(jié)構(gòu)如圖1～2所示。

圖1 T948Y-1500Lb-WCB型迷宮式最小流量閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the labyrinth minimum flow valve (type: T948Y-1500Lb-WCB)

圖2 迷宮式節(jié)流盤(pán)片F(xiàn)ig.2 Throttle discs with labyrinth channels

在節(jié)流盤(pán)片中，優(yōu)化模型的連接槽位于迷宮流道的中部，將各流道連接為一個(gè)整體。為對(duì)比添加連接槽前后閥內(nèi)的流動(dòng)特性，分別建立兩種流體域模型，模擬閥門(mén)開(kāi)度為100%的流動(dòng)情況。本次研究的最小流量閥幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)適應(yīng)不規(guī)則的模型邊界，同時(shí)對(duì)節(jié)流盤(pán)片的迷宮流道進(jìn)行了加密處理。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，迷宮處優(yōu)化前后兩個(gè)模型的最終網(wǎng)格數(shù)量均為1 500 萬(wàn)，達(dá)到無(wú)關(guān)性要求。另外，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的評(píng)判采用Quality標(biāo)準(zhǔn)，即對(duì)四面體網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格單元的高度與每一條邊長(zhǎng)的比值并取最小值[9]，而迷宮處優(yōu)化前后兩個(gè)模型的網(wǎng)格Quality值均在0.4以上，滿足工程應(yīng)用的要求。

本次研究的最小流量閥工況參數(shù)如下：進(jìn)口壓力16.825 MPa，出口壓力2.0 MPa，介質(zhì)溫度105 ℃，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力120.8 kPa。閥內(nèi)流動(dòng)為湍流，數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，其湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

式中：μt是湍動(dòng)黏度；Gk和Gb是湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，分別由平均速度梯度和浮力引起；YM代表可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk與σε分別是湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε是用戶(hù)定義的源項(xiàng)。

選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，是因?yàn)槠漪敯粜院?，假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，能模擬射流撞擊、二次流、分離流和旋流等復(fù)雜流動(dòng)，比較符合最小流量閥這種壓力梯度高及流線彎曲程度大的流態(tài)。另外，在閥內(nèi)的邊界壁面處，湍流的脈動(dòng)影響可能不如分子黏性大，流動(dòng)可能處于層流狀態(tài)，則采用非平衡壁面函數(shù)法對(duì)其進(jìn)行處理，其在強(qiáng)壓力梯度和分離流動(dòng)計(jì)算中的效果比標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法要好。另外，在離散設(shè)置中，除了壓力使用PRESTO！格式外，動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率均使用二階迎風(fēng)格式，以提高計(jì)算精度。

2 流動(dòng)特性改善結(jié)果分析

2.1 壓力及速度分布對(duì)比

原模型及優(yōu)化模型(添加連接槽)的最小流量閥迷宮流道內(nèi)部各降壓級(jí)的壓力和平均流速對(duì)比如圖3所示。

圖3 原模型及優(yōu)化模型的各級(jí)壓降及各級(jí)平均流速對(duì)比Fig.3 Comparisons of pressure drop and flow velocity in each level between original model and optimized model

對(duì)于各級(jí)壓力分布曲線，在原模型中的前8個(gè)降壓級(jí)上，壓力迅速下降，由進(jìn)口的16.825 MPa(圖3中降壓級(jí)數(shù)為0處的壓力值)降至4.87 MPa，降幅達(dá)71%，隨后緩慢下降至出口的2 MPa；而添加連接槽后，壓力平穩(wěn)下降，壓降較均勻地分布在各個(gè)降壓級(jí)上，其前8個(gè)降壓級(jí)上的降幅為64%。當(dāng)迷宮流道產(chǎn)生特定壓差時(shí)，壓降過(guò)于集中在前段會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的沖刷使材料受到侵蝕，同時(shí)會(huì)引起閥體的振動(dòng)和噪聲，而壓降均勻分布則會(huì)使這些情況得到改善。在原模型的第9、12降壓級(jí)和添加連接槽模型的第13降壓級(jí)上形成收縮流，導(dǎo)致流體的壓力在降低過(guò)程中有部分恢復(fù)，但對(duì)整個(gè)降壓過(guò)程影響不大。另外，在整個(gè)閥內(nèi)流體域中，原模型最小絕對(duì)壓力值為0.712 MPa，優(yōu)化模型為1.341 MPa，均大于對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，即兩者都不產(chǎn)生汽蝕。

最小流量閥的工作壓差很大，使用多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)的目的是使每個(gè)減壓級(jí)分擔(dān)一部分壓差，以防止高壓差引起的汽蝕，但各級(jí)壓差均需小于不產(chǎn)生汽蝕的最大允許壓差ΔPa，其計(jì)算公式如下：

ΔPa=kc(P1-Pv)

式中：ΔPa是不產(chǎn)生汽蝕的最大允許壓差，MPa；kc是壓力恢復(fù)系數(shù)，由閥內(nèi)結(jié)構(gòu)決定；P1是閥門(mén)進(jìn)口壓力，MPa；Pv是閥門(mén)進(jìn)口溫度下飽和蒸汽壓力，MPa。不發(fā)生汽蝕的條件即為ΔP(各級(jí)實(shí)際壓差)<ΔPa。由于降壓過(guò)程中各級(jí)壓力絕對(duì)值已滿足抗汽蝕要求，因此級(jí)間壓差值也容易自動(dòng)滿足。

對(duì)于各級(jí)流速分布曲線，由于連接槽分布在第9和12降壓級(jí)之間，增加了流通空間，這幾級(jí)上的平均流速與原模型對(duì)應(yīng)的流速相比明顯下降，而在其他降壓級(jí)上兩者速度相差不大。這樣，在這些降壓級(jí)處，較小的流速有利于改善該閥門(mén)的穩(wěn)定性。另外，參照國(guó)內(nèi)外的工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)平均流速小于或接近30 m/s時(shí)，對(duì)節(jié)流元件的沖蝕影響最小，由圖3的流速曲線可見(jiàn)，添加連接槽前后，除第2降壓級(jí)的流速稍大于30 m/s外，流道內(nèi)的流速均符合這個(gè)要求。因?yàn)檫B接槽使盤(pán)片的整體流動(dòng)空間稍為增大，在相同的壓差下，優(yōu)化模型的出口速度比原模型稍大，分別為11.53 m/s和10.54 m/s，但對(duì)閥門(mén)的整體出流影響不大。

原模型及優(yōu)化模型的盤(pán)片壓力分布及流速分布如圖4～7所示。

圖4 原模型節(jié)流盤(pán)片壓力分布Fig.4 Pressure distribution of the throttle disc in original model

圖5 優(yōu)化模型節(jié)流盤(pán)片壓力分布Fig.5 Pressure distribution of the throttle disc in optimized model

圖6 原模型節(jié)流盤(pán)片流速分布Fig.6 Flow velocity distribution of the throttle disc in original model

圖7 優(yōu)化模型節(jié)流盤(pán)片流速分布Fig.7 Flow velocity distribution of the throttle disc in optimized model

由優(yōu)化前后節(jié)流盤(pán)片的壓力分布對(duì)比可驗(yàn)證圖3中關(guān)于兩種模型壓降的結(jié)論：原模型的壓降過(guò)于集中在迷宮流道的前段，而添加連接槽后的優(yōu)化模型壓降則較均勻分布在所有降壓級(jí)上。從連接槽的布置位置看，其連接了迷宮流道的高壓側(cè)和低壓側(cè)，使高壓側(cè)泄壓，低壓側(cè)增壓，這就直接導(dǎo)致了壓降的均勻分布。由壓力場(chǎng)分布也可以看出迷宮式最小流量閥具有較好的降壓效果，經(jīng)過(guò)不等分的逐級(jí)降壓，高壓流體將大部分壓力消耗在這個(gè)節(jié)流過(guò)程，而出流處則保持穩(wěn)定的低壓，沒(méi)有出現(xiàn)局部高壓。

對(duì)比優(yōu)化前后的節(jié)流盤(pán)片流速分布可見(jiàn)，兩種模型的速度分布基本相同，高速流均集中在過(guò)流面積較小的前幾個(gè)降壓級(jí)上，且在流道內(nèi)部形成了高低流速的分離，其中高流速在流道的一側(cè)，低流速則在流道的另一側(cè)，同時(shí)在迷宮流道出口處均形成小強(qiáng)度的對(duì)中射流。兩者流速分布最大的區(qū)別是連接槽模型中在槽后的兩個(gè)降壓級(jí)處形成了直流，與直流鄰近的地方則產(chǎn)生局部回流，導(dǎo)致連接槽附近的降壓級(jí)流速減小。

2.2 壓力及速度分布對(duì)比

原模型及添加連接槽的優(yōu)化模型對(duì)應(yīng)的節(jié)流盤(pán)片流線分布及閥內(nèi)整體流線分布對(duì)比如圖8～11所示。

圖8 原模型節(jié)流盤(pán)片流線分布Fig.8 Streamline distribution of the throttle disc in original model

圖9 優(yōu)化模型節(jié)流盤(pán)片流線分布Fig.9 Streamline distribution of the throttle disc in optimized model

圖10 原模型閥內(nèi)整體流線分布Fig.10 Streamline distribution of the whole original valve

圖11 優(yōu)化模型閥內(nèi)整體流線分布Fig.11 Streamline distribution of the whole optimized valve

由圖8、9看出，原模型和優(yōu)化模型中節(jié)流盤(pán)片的流線分布幾乎不變，兩者的迷宮流道出口至閥芯中央的流態(tài)相似：中心處由于對(duì)中射流而產(chǎn)生一個(gè)較大的回旋渦，而各迷宮流道的出口均有流動(dòng)分離和漩渦脫落的回流擾動(dòng)，因連接槽使流道出口的流速稍為增加，則對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)強(qiáng)度比原模型要稍大。另外，由于在連接槽處產(chǎn)生分流，且連接槽與迷宮流道的流動(dòng)空間相差較大，使連接處的流動(dòng)順暢度較弱，導(dǎo)致在連接槽上一個(gè)降壓級(jí)處出現(xiàn)回流區(qū)，這是與原模型流線分布的明顯不同之處。

對(duì)比圖10～11的閥內(nèi)整體流線分布，發(fā)現(xiàn)原模型中盤(pán)片套筒進(jìn)口流態(tài)較差，進(jìn)口處流線產(chǎn)生較大的漩渦，不僅使閥內(nèi)雜質(zhì)容易黏附在閥體壁面上，而且也會(huì)在漩渦處產(chǎn)生不必要的動(dòng)能浪費(fèi)[10]，同時(shí)也使閥門(mén)產(chǎn)生振動(dòng)；而添加連接槽后套筒的進(jìn)口流態(tài)由漩渦過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)過(guò)渡，使閥門(mén)工作更穩(wěn)定。對(duì)于優(yōu)化前后兩個(gè)模型的閥內(nèi)流線分析，數(shù)值計(jì)算中閥腔流道保持相同，只改變節(jié)流盤(pán)片的形式。這樣，通過(guò)改變?cè)撟钚×髁块y的整體流阻而實(shí)現(xiàn)了盤(pán)片套筒進(jìn)口流態(tài)的改善。另外，優(yōu)化前后兩個(gè)模型的套筒出口至閥門(mén)出口之間流道的流動(dòng)波動(dòng)均較大，有待日后進(jìn)行該部分優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。

3 結(jié) 論

本文分別對(duì)T948Y-1500Lb-WCB型迷宮式最小流量閥節(jié)流盤(pán)片原模型和添加連接槽后的優(yōu)化模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比了兩種模型的各級(jí)降壓曲線、各級(jí)平均流速曲線以及閥內(nèi)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和流線分布情況，確定在各迷宮流道之間添加連接槽這種優(yōu)化方案對(duì)最小流量閥流動(dòng)特性的改善效果，即迷宮流道各級(jí)降壓更加均勻，各級(jí)平均流速降低，同時(shí)使盤(pán)片套筒的進(jìn)口流態(tài)由漩渦過(guò)渡變?yōu)槠椒€(wěn)過(guò)渡。因此，優(yōu)化后的最小流量閥工作更加穩(wěn)定且能減小振動(dòng)及噪聲。

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