壓力沖擊作用下升降式止回閥特性仿真研究

□周振棟 金 戈 譚 勇 范 珉

一、引言

秦山核電有限公司一廠二回路輔助給水泵至主給水管之間的升降式止回閥，在應(yīng)急補(bǔ)水箱定期循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后經(jīng)常出現(xiàn)止回閥關(guān)閉不嚴(yán)導(dǎo)致內(nèi)漏，流體倒流現(xiàn)象，操作人員可以通過敲擊閥體使得閥門重新達(dá)到關(guān)閉。技術(shù)人員在閥芯增開導(dǎo)流槽后，減少了此現(xiàn)象發(fā)生頻率，但對于導(dǎo)流槽作用機(jī)理和效果尚無詳細(xì)分析，導(dǎo)流槽設(shè)計(jì)參數(shù)也缺乏理論依據(jù)，僅憑經(jīng)驗(yàn)確定。

對于升降式止回閥內(nèi)漏等問題業(yè)內(nèi)已從多個(gè)方面進(jìn)行了研究。祝太富[1]等為提高密封性能和流通能力，提出了取消止回閥的背壓彈簧、減小閥芯與閥座密封接觸面寬度、增加泄壓孔數(shù)量和增大閥芯行程的改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了降低閥門開啟壓力和提高閥門流通能力的目標(biāo)。方勝杰等[2]針對止回閥內(nèi)漏問題，提出了控制導(dǎo)向間隙尺寸和專用胎具研磨等工藝措施，以及增加閥體后提和加長焊接部位長度以減小焊接熱變形等改進(jìn)設(shè)計(jì)，閥門密封穩(wěn)定性得到顯著提高。

上述研究工作能夠幫助人們了解升降式止回閥的技術(shù)特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。近年來，計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真技術(shù)廣泛用于流體機(jī)械流場分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3～4]，可以詳細(xì)復(fù)現(xiàn)閥門工作過程，深入理解閥門內(nèi)部流動特性，幫助工程師進(jìn)行閥門優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文采用專業(yè)的泵閥流體力學(xué)模擬軟件PumpLinx針對升降式止回閥動態(tài)啟閉過程進(jìn)行仿真研究，分析止回閥動態(tài)響應(yīng)規(guī)律和流動特性，揭示導(dǎo)流槽對于閥芯動作的影響機(jī)制與效果。

二、物理模型與數(shù)值方法

(一)止回閥結(jié)構(gòu)。研究對象為DN100升降式止回閥，其由閥體、閥蓋、閥套、彈簧和閥芯組成，如圖1所示。止回閥工作時(shí)流體由進(jìn)口流入，閥芯受流體作用被沖開，在閥芯上升過程中上腔室流體經(jīng)閥芯泄壓孔排出，以減小閥芯開啟時(shí)的阻力，當(dāng)流體靜止或回流時(shí)，閥芯受彈簧和自重作用快速回落，閥門關(guān)閉。

圖1 止回閥結(jié)構(gòu)

為改善閥門啟閉特性，對止回閥的閥芯進(jìn)行改造。原型閥芯上僅開了一個(gè)d=10mm的泄壓孔。圖2為改造后的閥芯結(jié)構(gòu)，即閥芯上增開了一個(gè)泄壓孔，即形成十字泄壓孔，并在閥芯側(cè)面增開了4條對稱布置的導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽橫截面尺寸為12mm×6mm。增開泄壓孔和導(dǎo)流槽的作用是保證閥門啟閉過程中流體能夠順利進(jìn)出閥芯上方腔室。

圖2 改造后閥芯結(jié)構(gòu)

(二)物理模型。根據(jù)止回閥結(jié)構(gòu)建立了仿真物理模型。為單獨(dú)比較增開泄壓孔和導(dǎo)流槽的作用，建立了三種模型，即原型、改進(jìn)型1(十字泄壓孔)和改進(jìn)型2(十字泄壓孔+導(dǎo)流槽)。圖3為改進(jìn)型2止回閥的物理模型。設(shè)置物理模型的入口段長度為5倍管道直徑，出口段長度為10倍的管道直徑。

圖3 改進(jìn)型2止回閥物理模型

圖4為閥芯與閥座區(qū)域的網(wǎng)格示意圖，采用PumpLinx軟件內(nèi)置的網(wǎng)格模塊對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用滑閥網(wǎng)格模板生成止回閥流體域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時(shí)考慮閥門關(guān)閉時(shí)的最小間隙。其中，原型止回閥采用兩次滑閥網(wǎng)格模板生成閥門流體域的網(wǎng)格以實(shí)現(xiàn)閥芯的從動模擬；改進(jìn)型止回閥因其閥芯增加導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)需使用滑閥網(wǎng)格模板生成導(dǎo)流槽的動網(wǎng)格，故共使用三次滑閥網(wǎng)格模板生成改進(jìn)型閥門的動網(wǎng)格。整個(gè)流體域網(wǎng)格總數(shù)約為60萬。

實(shí)際管路中止回閥下游裝有截止閥，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中截止閥保持關(guān)閉狀態(tài)，故計(jì)算域的出口邊界條件設(shè)置為壁面。計(jì)算域的進(jìn)口設(shè)置為壓力入口條件，壓力為10.0MPa，整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的初始壓力設(shè)置為6.0MPa。

圖4 閥芯與閥座區(qū)域網(wǎng)格示意圖

仿真計(jì)算時(shí)流體介質(zhì)選擇液態(tài)水，同時(shí)因管道內(nèi)壓力較高考慮水的可壓縮性。止回閥的閥芯設(shè)置為動邊界，其質(zhì)量為6.3kg，彈簧預(yù)載力為286.2N，彈簧剛度為22N/mm，閥芯阻尼系數(shù)為120N·s/m。運(yùn)用PumpLinx內(nèi)置的滑閥模塊來模擬閥芯的運(yùn)動過程，運(yùn)用MGI(Mismatched Gird Interface)技術(shù)創(chuàng)建動靜流體區(qū)域的交互面，以實(shí)現(xiàn)動靜流體域之間的數(shù)據(jù)傳遞。

三、結(jié)果與分析

(一)位移變化曲線。仿真計(jì)算時(shí)止回閥啟閉過程是連續(xù)的，為便于對比與分析，下文將兩個(gè)過程分開展示。圖5(a)為止回閥動態(tài)開啟時(shí)閥芯位移隨時(shí)間的變化曲線。三種模型閥芯最終開啟高度較為接近，均在1.3mm左右。原型止回閥開啟過程中出現(xiàn)了明顯的振蕩，即出現(xiàn)閥門開度增大-減小-又增大的現(xiàn)象。改進(jìn)型1也有振蕩，但其幅度明顯減小。改進(jìn)型2則不存在振蕩現(xiàn)象。

由于閥門出口管路封閉，當(dāng)閥門由于兩側(cè)差壓而開啟后，兩側(cè)流體很快達(dá)到壓力平衡，之后閥芯因彈簧力和重力作用進(jìn)入關(guān)閉過程。圖5(b)為止回閥關(guān)閉時(shí)閥芯的位移曲線。關(guān)閉過程中，原型閥門依舊存在明顯振蕩，頻率比開啟過程高很多。改進(jìn)型1閥芯運(yùn)動仍有振蕩，但幅值減小。改進(jìn)型2閥芯則全程無振蕩，快速回落至閥座。

(a)開啟過程

表1列出了止回閥動態(tài)開啟和關(guān)閉時(shí)間。閥門開啟時(shí)間很短，均不到3ms，與原型相比，改進(jìn)型1和2的動態(tài)開啟時(shí)間分別縮短了10%和18%。與原型相比，改進(jìn)型1閥門的關(guān)閉時(shí)間無明顯變化，均為27ms左右，但改進(jìn)型2閥門的關(guān)閉時(shí)間顯著縮短，僅1.6ms，減少了94%。

表1 止回閥動態(tài)響應(yīng)特性

顯然，由于增加了泄壓孔和導(dǎo)流槽，閥門開啟和關(guān)閉速度增大，而且兩種改進(jìn)型閥芯的振蕩程度均減弱，這是因?yàn)樵黾拥男箟嚎缀蛯?dǎo)流槽使得流體能夠更加及時(shí)地流入與排出閥芯。

(二)閥芯所受流體力。圖6為閥芯所受x方向流體力。x方向?yàn)榱黧w流動方向。開啟過程的前半段，流體沖擊作用下止回閥開啟，流體流入，同時(shí)受兩側(cè)壓力作用，閥芯x方向力，原型達(dá)到3kN，改進(jìn)型略??；后半段，閥芯x方向受力方向發(fā)生變化，數(shù)值上原型超過3kN，改進(jìn)型1接近3kN，改進(jìn)型2大約為2kN。

(a)開啟過程

關(guān)閉過程后半段，原型和改進(jìn)型1的x方向作用力在±3kN和±2kN之間振蕩，前半段x方向力基本為0；改進(jìn)型2關(guān)閉過程x受力無振蕩現(xiàn)象，初始約為0.5kN左右，之后數(shù)值和方向逐漸變化，最終穩(wěn)定在1.0kN左右。

較大的x方向流體力會使閥芯軸線偏斜，造成閥芯與閥套接觸摩擦阻力增大，甚至卡滯。由此可知，原型閥門由于開啟和關(guān)閉過程中，x方向流體作用力較大，閥芯發(fā)生軸線偏斜和不能正?；刈母怕瘦^大。增開導(dǎo)流槽后，改進(jìn)型2閥芯在開啟和關(guān)閉過程中所受x方向流體力顯著減小，基本沒有振蕩現(xiàn)象，大大降低了閥芯回落過程中發(fā)生偏斜的概率，這也是實(shí)際發(fā)現(xiàn)增開導(dǎo)流槽后發(fā)生泄漏次數(shù)減少的根本原因。

綜合閥門啟閉過程中閥芯位移曲線和閥芯所受流體力情況，可對升降式止回閥內(nèi)漏原因及其閥芯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)機(jī)制進(jìn)行簡單分析。無論是原型止回閥還是其改進(jìn)型，當(dāng)水泵啟動管路壓力升高時(shí)，閥門開啟，閥門前后壓力很快達(dá)到平衡，閥芯回座。原型止回閥在開啟和關(guān)閉過程中由于流體進(jìn)出閥芯上方空腔不順暢，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致開啟和關(guān)閉時(shí)間延長，閥芯在x方向受流體力作用比較大，使得閥芯偏斜以及與閥套摩擦卡住的概率較大。當(dāng)閥芯出現(xiàn)卡塞時(shí)，通過敲擊閥體產(chǎn)生振動，閥芯可能回落到正確位置，恢復(fù)密封，這也是現(xiàn)場操作人員使用這個(gè)方法為何有效的原因。

改進(jìn)型1增加了一個(gè)泄流孔，對于閥門開啟和關(guān)閉過程影響效果不是非常明顯。改進(jìn)型2增加4個(gè)導(dǎo)流槽作用比較顯著，使得流體進(jìn)出閥芯空腔較為順暢，閥門開啟和關(guān)閉時(shí)閥芯不再振蕩，且大大減少了關(guān)閉時(shí)間，閥芯所受x方向流體力也減小，使得閥芯出現(xiàn)卡塞的幾率變小，這也是現(xiàn)場改造后泄漏現(xiàn)象減少的原因。

四、結(jié)語

采用流體力學(xué)仿真方法，針對升降式止回閥在下游截止閥關(guān)閉情況下因壓力沖擊作用而開啟和關(guān)閉過程進(jìn)行研究，探討止回閥內(nèi)漏出現(xiàn)的原因及其改進(jìn)措施。主要結(jié)果如下。

(一)在下游截止閥關(guān)閉情況下，原型和改進(jìn)型止回閥閥芯開啟高度均在1.3mm左右。原型止回閥開啟和關(guān)閉過程中閥芯運(yùn)動出現(xiàn)明顯的振蕩，即出現(xiàn)閥門開度增大-減小-又增大的現(xiàn)象。增加一個(gè)泄流孔(改進(jìn)型1)后，閥芯運(yùn)動仍有振蕩，但幅度明顯減小。進(jìn)一步增開導(dǎo)流槽(改進(jìn)型2)后，閥芯運(yùn)動振蕩現(xiàn)象消失。與原型止回閥相比，改進(jìn)2止回閥的動態(tài)關(guān)閉時(shí)間顯著縮短。

(二)閥門開啟和關(guān)閉過程中，閥芯所受x方向流體力，原型超過3kN，改進(jìn)型1略小，兩者都存在明顯振蕩。改進(jìn)型2閥芯所受x方向流體力相對較小，約為2kN。結(jié)合閥門內(nèi)部流場分析，改進(jìn)型2增加4個(gè)導(dǎo)流槽后，流體進(jìn)出閥芯空腔非常順暢，閥門開啟和關(guān)閉時(shí)閥芯不再振蕩，且大大減少了關(guān)閉時(shí)間，閥芯x方向流體力也減小，由此可推測閥芯出現(xiàn)卡塞的幾率變小。