給水泵最小流量閥盤片結(jié)構(gòu)防空化性能對比

諶傳江，蔣永兵，顏炳良，邵 杰，張 賢，騫宏偉

（1.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707；2.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100095）

0 引言

在電廠高壓供水系統(tǒng)中，最小流量閥是運行工況最惡劣的調(diào)節(jié)閥之一[1]。目前，針對調(diào)節(jié)閥可以有效防止閥內(nèi)產(chǎn)生空化、汽蝕和振動噪音方面的問題，國外一些制造廠商，如美國CCI 公司已經(jīng)研發(fā)并制造出了可以滿足要求的特殊調(diào)節(jié)閥，其在高溫、高壓及高壓差的復(fù)雜惡劣條件下，能夠有效抑制閃蒸、空化和汽蝕現(xiàn)象，因此在技術(shù)方面國外一直處于領(lǐng)先地位[2]。

最小流量閥因其使用工況惡劣，其節(jié)流副應(yīng)能通過控制流道面積和節(jié)流級數(shù)而控制介質(zhì)流速，以及提高節(jié)流副阻力系數(shù)，達到減小流體在閥門流道中產(chǎn)生汽蝕的可能性[3]。

圖2 4種不同形式的迷宮槽式節(jié)流盤片F(xiàn)ig.2 Four different forms of labyrinth disc structure

目前，學(xué)者對最小流量調(diào)節(jié)閥進行了大流量的研究。史文玎通過對給水泵最小流量閥改造前后的數(shù)值模擬，研究介質(zhì)在閥罩中的流速，通過壓力分布情況比較，得到環(huán)形流道閥罩比HUSH 形閥罩內(nèi)壓力徑向分布均勻，更不容易發(fā)生汽蝕的結(jié)論[4]。宋忠榮等對最小流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場及流量的特性進行模擬，通過控制流道面積和節(jié)流級數(shù)而控制介質(zhì)流速，分析流道的節(jié)流降壓特性，得到提高節(jié)流副阻力系數(shù)可達到減小流體在閥門流道中產(chǎn)生汽蝕的可能性的結(jié)論[3]。侯璐瑤通過高壓差調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動規(guī)律，多孔式的閥門內(nèi)件，開放兩排半孔時，流體速度控制在9m/s 以內(nèi)，開放一排孔時，流體速度控制在3.75m/s 以內(nèi)，可避免汽蝕的發(fā)生[5]。Satoshi Yuzawa and Takumi Hashizume等采用實驗與仿真相結(jié)合的方式，研究了給定壓差的調(diào)節(jié)閥在流體流動中閥塞產(chǎn)生氣蝕情況下的使用年限，從能量虧損和工作時間的角度分析了汽蝕現(xiàn)象對調(diào)節(jié)閥使用年限的影響[6]。W S Qu 等用數(shù)值仿真模擬機實驗相結(jié)合的方式，對調(diào)節(jié)閥在不同開度下相同參數(shù)工況流道內(nèi)的空化特性進行分析與研究，對調(diào)節(jié)閥空化特性進行仿真分析[7]。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對最小流量閥的研究較多，但對于具體閥門結(jié)構(gòu)尺寸下存在怎樣的空化范圍的研究較少。為了探究同種外徑尺寸、同種流通能力情況下何種形式的迷宮槽結(jié)構(gòu)防空化效果更好，本文以3 種不同的迷宮槽式節(jié)流板為研究對象，通過仿真模擬的方式，對迷宮槽內(nèi)空化的具體分布做了探究。

圖1 最小流量閥閥體部件圖Fig.1 The general view of feedwater pump recirculation valve

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)迷宮閥門內(nèi)件的尺寸，以及閥門所需流通能力的大小，建立閥門零部件的三維模型。在同種外徑尺寸且流通能力相同的情況下，可設(shè)計出不同形式的迷宮節(jié)流板尺寸。本次研究以圖2 中的4 種迷宮節(jié)流板為對象，對其在同種工況條件下做空化模擬測試，并比較其模擬結(jié)果。

圖3 多級降壓防空化原理Fig.3 The principle of multistage depressurization on preventing cavitation

2 控制空化的原理

2.1 空化的產(chǎn)生

當(dāng)壓力為P1的液體流經(jīng)節(jié)流孔時，流速突然急劇增加，而靜壓力驟然下降。當(dāng)孔后壓力P2達到或者低于該流體所在情況的飽和蒸汽壓力Pv時，部分液體就汽化成為氣體，形成氣液兩相共存的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為閃蒸。如果產(chǎn)生閃蒸之后，P2不是保持在飽和蒸汽壓以下，在離開節(jié)流孔之后又急驟上升，這時氣泡產(chǎn)生破裂并轉(zhuǎn)化為液態(tài)，這個過程即為空化作用[8]。

2.2 多級降壓防空化原理

如圖3 所示，根據(jù)CCI 迷宮式多級降壓防空化的原理，采用多級降壓的閥門內(nèi)件，使單級節(jié)流的壓差更小，可有效降低節(jié)流組件內(nèi)介質(zhì)的流速，保證介質(zhì)在迷宮槽出口處的動能較小，避免介質(zhì)在節(jié)流組件中發(fā)生空化，減少閥門的汽蝕。

3 空化模擬研究結(jié)果

目前，歐拉-拉格朗日方法和歐拉方法較多的應(yīng)用于研究多相流。在Fluent 中，共有3 種歐拉-歐拉多相流模型，即VOF（Volume Of Fluid）模型、混合物（Mixture）模型和歐拉（Eulerian）模型。本文以ANSYS Flunet 作為仿真模擬的軟件，選用混合物模型作為空化模擬的模型。

對于同種外徑且流通能力一致的迷宮節(jié)流板，為滿足防空化的要求，設(shè)計出4 種不同結(jié)構(gòu)形式的節(jié)流迷宮槽。選擇較為惡劣的工況對其做真實的模擬，介質(zhì)為溫度115℃水，閥前壓力P1=8.84MPa，閥后壓力P2=0.176MPa，飽和蒸汽壓力Pv=0.169MPa。模擬結(jié)果如圖4 ～圖6 所示。 根據(jù)Fluent 模擬結(jié)果，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

圖4 壓力分布云圖Fig.4 Contours of static pressure

圖5 速度分布云圖Fig.5 Contours of velocity magnitude

表1 Fluent模擬結(jié)果Table 1 Fluent simulation results

4 結(jié)論

假定流體介質(zhì)90°轉(zhuǎn)角為一級，可得到以下結(jié)論：

1）對比方案一與方案三的模擬，同樣級數(shù)和流通能力的迷宮盤片，對沖分流式結(jié)構(gòu)防空化效果更好。

2）對比方案一與方案二、方案三與方案四的模擬結(jié)果，介質(zhì)由內(nèi)向外流動的結(jié)構(gòu)比由外向內(nèi)流動的結(jié)構(gòu)的防空化效果更好。

因此，在此種工況下，若無其他特殊要求，迷宮盤片設(shè)計成由內(nèi)向外擴張且介質(zhì)對沖式結(jié)構(gòu)，對防止空化的產(chǎn)生是有較好效果的。

圖6 汽相體積組分分布云圖Fig.6 Contours of volume fraction