給水泵最小流量循環(huán)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

(1.沈陽工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽 110136； 2.國(guó)家能源集團(tuán) 遼寧電力有限公司，遼寧 沈陽 110500；3.沈陽工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，遼寧 沈陽 110136)

引言

最小流量循環(huán)閥是鍋爐給水系統(tǒng)中運(yùn)行工況最惡劣的調(diào)節(jié)閥之一，如何保證其在高壓差下的工作性能是目前研究的重點(diǎn)[1-3]。劉佳等[4]應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)對(duì)某新型最小流量循環(huán)閥流場(chǎng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明迷宮流道可以滿足良好的降壓控速要求，閥門的整體通流性能良好。王玉成等[5]對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的對(duì)沖式最小流量循環(huán)閥流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了閥內(nèi)壓力分布，結(jié)果表明隨著對(duì)沖次數(shù)的增加，壓降逐漸減小。蔣旭平等[6]通過模擬研究了串聯(lián)型和并聯(lián)型迷宮流道的壓力分布特點(diǎn)及阻力特性，結(jié)果表明串聯(lián)型流道壓降大，阻力系數(shù)大，而并聯(lián)型流道降壓過程更平緩。劉來全等[7]對(duì)迷宮流道增加了連接槽，改善了閥內(nèi)的流動(dòng)特性。張建華等[8]應(yīng)用CFD軟件對(duì)研發(fā)的最小流量循環(huán)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真，得到了閥內(nèi)流動(dòng)參數(shù)，結(jié)果表明迷宮流道可以實(shí)現(xiàn)逐級(jí)穩(wěn)定降壓和限制流速上升過快的作用。

從上述研究中可以發(fā)現(xiàn)，目前最小流量循環(huán)閥的研究側(cè)重于流道的改進(jìn)，本研究將對(duì)某600 MW機(jī)組的迷宮式最小流量循環(huán)閥進(jìn)行改進(jìn)，并利用Fluent軟件對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究，通過分析對(duì)比，探究不同流道通流面和不同流道數(shù)量對(duì)壓降及流速調(diào)節(jié)效果的影響。

1 最小流量循環(huán)閥及其迷宮盤結(jié)構(gòu)

所研究的迷宮式最小流量循環(huán)閥樣機(jī)如圖1a所示，其結(jié)構(gòu)主要由閥蓋、閥體、閥桿、閥芯、迷宮盤和閥座6部分組成，閥體內(nèi)部流體運(yùn)行方式為流關(guān)型(即側(cè)管道為進(jìn)口，下管道為出口)如圖1b所示。

圖1 最小流量循環(huán)閥Fig.1 Minimum flow regulating valve

最小流量循環(huán)閥不同于其他種類閥門，由于其實(shí)際工況的特殊性，不光要承受介質(zhì)帶來的巨大壓力，還要起到降壓和調(diào)節(jié)流速的作用[7-8]。

迷宮盤作為最小流量循環(huán)閥的核心組成部分，如圖2a所示，是閥內(nèi)壓力和速度變化最大的組件，由33層帶有迷宮流道的盤片相互交錯(cuò)布置，經(jīng)釬焊堆疊加工而成，每層迷宮盤片高度為3 mm，其剖面模型如圖2b所示。

圖2 迷宮盤及其剖面模型Fig.2 Labyrinth disk and its profile model

當(dāng)高壓高速介質(zhì)從外側(cè)流入迷宮盤時(shí)，其內(nèi)部的多級(jí)90°拐角式流道將持續(xù)消耗介質(zhì)能量，并對(duì)介質(zhì)進(jìn)行逐級(jí)降壓，從而達(dá)到穩(wěn)定降低介質(zhì)壓力、控制介質(zhì)流速的作用，采用迷宮式結(jié)構(gòu)可以有效地保證最小流量循環(huán)閥在高壓差下的工作性能，避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生[9-12]。

2 迷宮流道設(shè)計(jì)及流場(chǎng)分析

2.1 迷宮流道設(shè)計(jì)

由于迷宮盤片內(nèi)壓力和速度變化極大，且壓降主要發(fā)生在迷宮流道內(nèi)，因此本研究將通過Fluent軟件對(duì)原始和增寬(流道寬度增加1 mm)兩種迷宮盤片進(jìn)行模擬分析和對(duì)比，探究介質(zhì)在不同流道通流面積時(shí)的工作性能，建立的迷宮盤片及其內(nèi)部流道模型如圖3a和圖3b所示。

在分析過程中假定各層的迷宮盤片內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)相同，且由于盤片的各分支流道為周向均布，故可將較為復(fù)雜的流道模型簡(jiǎn)化為單一的流道模型，如圖3c所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

將迷宮流道簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入到Workbench Fluid Flow模塊中，設(shè)定介質(zhì)的進(jìn)出口條件。由于閥門為流關(guān)型，流體運(yùn)行方式為側(cè)進(jìn)底出式，按照迷宮盤在循環(huán)閥內(nèi)的實(shí)際安裝情況，設(shè)定迷宮流道外側(cè)兩細(xì)窄口為進(jìn)口，內(nèi)側(cè)寬口為出口，其余各面均為壁面條件。

圖3 迷宮盤片及其內(nèi)部流道模型Fig.3 Labyrinth disk and its internal channel model

將兩種流道模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為保證計(jì)算結(jié)果的精確性，網(wǎng)格函數(shù)和網(wǎng)格方式分別采用Curvature和MultiZone來進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分處理，網(wǎng)格映射類型為Hexa。網(wǎng)格劃分后兩種模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)見表1所示，網(wǎng)格劃分后模型如圖4所示。

表1 網(wǎng)格數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Mesh quantity statistics

圖4 網(wǎng)格劃分模型Fig.4 Meshing model

2.3 流道流場(chǎng)分析

將兩種劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent分析模塊中，進(jìn)行邊界條件的設(shè)定。流道的進(jìn)出口均設(shè)置為壓力邊界條件，進(jìn)口處壓力為30.4 MPa，溫度為190 ℃，出口處壓力為1.0 MPa，壁面絕熱，且無滑移；流動(dòng)介質(zhì)為液態(tài)水，動(dòng)力黏度系數(shù)為0.001003 Pa·s；壓力-速度耦合方式采用SIMPLE，梯度差值格式采用Green-Gauss Node-Based，由于所要分析的模型內(nèi)部流場(chǎng)壓力梯度較大，因此壓力差值格式采用PRESTO！來進(jìn)行計(jì)算；在計(jì)算中為接近真實(shí)流場(chǎng)環(huán)境，提高求解的穩(wěn)定性，加快收斂速度，計(jì)算前采用初始化流場(chǎng)設(shè)置；最大迭代步數(shù)為1000步，采用自動(dòng)時(shí)間尺度，目標(biāo)殘差值為10-3。

分析所采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型廣泛的應(yīng)用于實(shí)際工程研究中，適用于高雷諾數(shù)下的湍流流動(dòng)，對(duì)于不同類型的流動(dòng)模擬均具有良好的普適性，易于求解收斂，且收斂速度較快[13-15]。

如圖5a和圖5b所示，為兩種迷宮流道求解出的壓力云圖。在不同通流面積下，介質(zhì)壓力沿流動(dòng)方向上均呈現(xiàn)出逐級(jí)遞減的趨勢(shì)，最大壓力均發(fā)生在流道的進(jìn)口位置，且流至出口處降至最低。每當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)迷宮流道的90°拐角式降壓級(jí)時(shí)，都會(huì)極大地消耗介質(zhì)能量，將整體較大的壓差，轉(zhuǎn)變?yōu)槿舾蓚€(gè)小壓差。兩種迷宮流道均實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)降壓的預(yù)期目標(biāo)，原始流道的整體壓降為29.3 MPa，增寬流道的整體壓降為29 MPa。增寬流道與原始流道相比，雖然通流面積大，分布在各個(gè)降壓級(jí)上的壓力小，但整體壓降效果并不如原始流道，反而減小了0.3 MPa。

圖5 流道流場(chǎng)分析結(jié)果Fig.5 Flow field analysis results of two channel

圖5c和圖5d為兩種迷宮流道的縱向剖面速度云圖。通流面積的變化并不會(huì)對(duì)介質(zhì)流速分布情況造成較大影響。兩種結(jié)構(gòu)中的高速介質(zhì)流均集中產(chǎn)生在流道通流面積突變處的前半段降壓級(jí)上，且在流動(dòng)過程中呈現(xiàn)低速流與高速流分離的特性，低速流集中在壁面邊緣，而高速流集中在中心處。由于截面突變引發(fā)的回流對(duì)沖現(xiàn)象，兩種迷宮流道的最大流速均產(chǎn)生在流道前半段降壓級(jí)的拐角處，流至流道后半段降壓級(jí)時(shí)流速逐漸減緩。原始流道的最大流速為115.5 m/s，出口平均流速為13 m/s，增寬流道的最大流速為126.5 m/s，出口平均流速為16 m/s，兩種迷宮流道的流速均得到了很好的控制。

為了更加直觀地對(duì)比和分析流道內(nèi)部的流場(chǎng)特性，在兩種迷宮流道通流面積變化最大處分別截取了12個(gè)截面(見圖6)，其中截面1和截面12分別為流道的進(jìn)口截面和出口截面。

圖6 流道截面示意圖Fig.6 Channel section diagram

圖7和圖8分別為兩種迷宮流道所對(duì)應(yīng)截面Si(i=1,2,3,…,12)處求解出的平均壓力和平均速度變化曲線圖。

從圖7可以看出，兩種迷宮流道壓力變化曲線極為相似，在截面6～12處接近重合。原始流道在截面1～6壓力下降較慢，在截面4～8處下降較快。增寬流道則與之相反，在截面1～6處壓力下降較快，在截面4～8下降較慢，說明增寬流道的壓力變化主要發(fā)生在前半段，此處承擔(dān)了大部分壓降。兩種迷宮流道在截面5處均存在一個(gè)較為明顯的壓力梯度變化，可能是由于流道中第11級(jí)降壓級(jí)通流面積變化造成的，但增寬流道相較于原始流道，除截面5處，在截面2，7，9處均存在明顯的壓力梯度變化。

圖7 兩種流道截面壓力變化曲線圖Fig.7 Pressure change curve of two kinds of channel section

圖8 兩種流道截面速度變化曲線圖Fig.8 Velocity curve of two kinds of channel section

從圖8可以看出，原始流道的截面速度變化曲線除截面2處，均位于增寬流道流道的下方，整體流速明顯小于增寬流道。兩種迷宮流道的截面速度變化曲線在截面2，4，6，8處均產(chǎn)生了明顯的速度驟增變化，呈現(xiàn)出一種忽升忽降的特性，這是由于通流面積突變?cè)斐傻?。流道中連續(xù)的曲折變化引發(fā)了介質(zhì)間的回流對(duì)沖現(xiàn)象，極大地消耗了介質(zhì)能量，介質(zhì)速度也得到了抑制。兩種迷宮流道在截面9～12的出口段，速度下降均逐漸趨向于穩(wěn)定，介質(zhì)速度均得到了有效控制。

3 最小流量循環(huán)閥整體流場(chǎng)分析

3.1 閥門流場(chǎng)分析

建立最小流量循環(huán)閥樣機(jī)模型(迷宮盤為10流道)和采用相同結(jié)構(gòu)的12流道最小流量循環(huán)閥模型，利用Fluent軟件來探究不同流道數(shù)量對(duì)閥門工況的影響。

圖9 閥門流場(chǎng)分析結(jié)果Fig.9 Valve flow field analysis results

圖9a和圖9b為求解出的閥門整體壓力云圖。高壓介質(zhì)從流場(chǎng)入口進(jìn)入，首先會(huì)對(duì)靠近進(jìn)口側(cè)的迷宮盤外圍流道進(jìn)行沖刷，后經(jīng)呈環(huán)狀的腔體導(dǎo)流作用后，均勻流入迷宮盤流道內(nèi)，壓力分布合理。此外，兩種模型的進(jìn)口段及出口段所能提供的壓降作用都很小，壓降主要集中在迷宮盤流道內(nèi)。

圖9c和圖9d為模型的縱向剖面速度云圖。12流道模型整體的流速略高于樣機(jī)模型。由于閥門結(jié)構(gòu)為角閥，介質(zhì)從迷宮盤各個(gè)流道流出后，自上而下運(yùn)動(dòng)，流速提高，流至閥門出口處逐漸趨于平緩。經(jīng)計(jì)算，樣機(jī)模型的最高流速為68.2 m/s，出口處流速為15.4 m/s，12流道模型的最高流速為69.1 m/s，出口處流速為18.3 m/s。

為進(jìn)一步分析最小流量循環(huán)閥整體內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布情況，分別截取了兩種模型迷宮盤的中心截面，并求解出了壓力云圖，如圖9e和圖9f所示。介質(zhì)自迷宮盤外側(cè)流入，在進(jìn)口處壓力最高，流至出口處壓力降至最低，兩種模型的整體壓力變化均呈現(xiàn)出逐級(jí)遞減的趨勢(shì)，但12流道模型在迷宮盤內(nèi)的壓力小于樣機(jī)模型，壓力下降更為均勻，結(jié)構(gòu)也更為合理。說明在相同壓降工況環(huán)境下，流道數(shù)量越多，分布在各個(gè)流道上的平均壓力也就越小，壓降效果也就更好。

3.2 閥門試驗(yàn)驗(yàn)證

通過對(duì)全開狀態(tài)下的最小流量循環(huán)閥樣機(jī)進(jìn)行流量試驗(yàn)來驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。

樣機(jī)模型仿真結(jié)果與流量試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。兩者流量相差4%，壓降相差0.3%，仿真值與試驗(yàn)值的誤差在5%以內(nèi)，表明最小流量循環(huán)閥仿真模型準(zhǔn)確，具備較高的可靠性。

表2 仿真與試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.2 Simulation and test comparison data

4 最小流量循環(huán)閥流量特性分析

以12流道最小流量循環(huán)閥模型作為研究對(duì)象，進(jìn)一步分析其通流性能。以10%階梯分別建立10%～100%，共10個(gè)不同開度情況下的循環(huán)閥模型，并對(duì)這10個(gè)循環(huán)閥模型分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，求解出了不同開度情況下的流量特性，如圖10和圖11所示。

圖10 閥門流量特性曲線圖Fig.10 Flow characteristic curve of valve

圖11 流動(dòng)參數(shù)與相對(duì)開度關(guān)系圖Fig.11 Relationship between flow parameters and relative opening

圖10為不同開度K下閥門的流量特性曲線圖。隨著閥門的開度不斷增加，其流量Q也隨之提高，整體趨勢(shì)為線性增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)率較為平穩(wěn)。

圖11為不同開度K下閥門出口速度v1和壓降Δp的變化情況。閥門在各開度下的出口速度和壓降變化均不大，波動(dòng)情況較為平穩(wěn)，閥門的出口速度穩(wěn)定在18.3 m/s左右，壓降穩(wěn)定在29.4 MPa左右，說明12流道最小流量循環(huán)閥的調(diào)速和壓降效果顯著，通流能力良好。

改進(jìn)后的12流道最小流量循環(huán)閥仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[4]中所研究的某新型最小流量循環(huán)閥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見表3所示。兩種循環(huán)閥的流量特性均呈現(xiàn)為直線流量特性，除出口速度略高于文獻(xiàn)[4]中的循環(huán)閥，改進(jìn)后的12流道最小流量循環(huán)閥在各開度流量上升趨勢(shì)更加平穩(wěn)，出口處壓力p1更小也更加穩(wěn)定，因此具備更好的通流能力。

表3 閥門仿真試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.3 Valve simulation and test comparison datas

5 結(jié)論

(1) 迷宮流道可以將單個(gè)大壓差轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)小壓差，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定降壓和調(diào)控流速的作用；

(2) 擴(kuò)增流道通流面積，壓降會(huì)更集中在流道的前半段降壓級(jí)上，在后半段降壓級(jí)上的壓降作用減弱，整體流速增加；

(3) 增加流道數(shù)量可以使作用在單個(gè)流道上的壓力減小，壓力下降更為均勻，壓降效果更好，但流速控制能力稍有減弱；

(4) 改進(jìn)的12流道最小流量循環(huán)閥呈現(xiàn)為直線流量特性，其出口流速和壓降變化并不會(huì)隨閥門開度增加而產(chǎn)生明顯的波動(dòng)，通流能力良好，研究結(jié)果可以為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供一定的參考。