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小流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場及流量特性模擬研究
發(fā)布于：2019/8/23 8:59:24 點擊量：175
1 引言
超超臨界火電機組最小流量調(diào)節(jié)閥又稱鍋爐給水泵再循環(huán)閥。在電廠中安裝在給水泵出口，連接至除氧器。鍋爐給水泵把水從除氧器里吸出送往鍋爐。為防止給水泵過熱和汽蝕，要求給水泵的流量在任何情況下都必須不小于某一個規(guī)定的安全流量，也就是最小流量。當鍋爐給水需要流量很小時，需及時打開最小流量閥，把一部分高壓水由泵出口處回流到除氧器，以保證給水泵的安全運行。
小流量調(diào)節(jié)閥運行工況非常惡劣。在小流量調(diào)節(jié)閥處于開啟狀態(tài)時，需要將高溫高壓的水逐級降壓，在降壓過程中盡可能減少汽蝕發(fā)生。處于關(guān)閉狀態(tài)時，需承受高達35MPa甚至更高的靜壓差，做到關(guān)閉嚴密。
小流量調(diào)節(jié)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。由于節(jié)流副的主要構(gòu)成件———迷宮盤其尺寸較小，結(jié)構(gòu)復雜，實物試驗不便。因而數(shù)值模擬技術(shù)用于研究該種結(jié)構(gòu)可能更方便、準確。
2 節(jié)流副結(jié)構(gòu)
閥門結(jié)構(gòu)及節(jié)流副結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。
圖1 最小流量閥結(jié)構(gòu)
圖2 節(jié)流副結(jié)構(gòu)
其特點及相關(guān)計算如下：
（1）迷宮節(jié)流副結(jié)構(gòu)設(shè)計
單個迷宮盤上下加工開槽，開槽采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，入口設(shè)計為串連結(jié)構(gòu)，經(jīng)一定的轉(zhuǎn)彎級數(shù)后變?yōu)椴⒙?lián)結(jié)構(gòu)。整個迷宮節(jié)流副由多片單個的迷宮盤互相交錯疊加，經(jīng)釬焊而成。
（2）流路設(shè)計
因閥門使用介質(zhì)為液體，采用側(cè)進底出，流關(guān)型結(jié)構(gòu)，特性曲線為線性，保證在15%～85%開度范圍內(nèi)能夠正常調(diào)節(jié)。迷宮的流路設(shè)計保證出口的流速小于或接近30m/s，保證對節(jié)流副元件的沖刷影響最小。
（3）迷宮芯片設(shè)計
迷宮式芯片的設(shè)計是為了提高閥門的抗氣蝕功能，利用迷宮式芯包多級降壓的原理，通過強制介質(zhì)流經(jīng)一系列的直角彎道，使流速得到完全的控制，達到逐級降壓的目的。設(shè)計芯片時主要考慮流體的降壓及氣體體積的膨脹，因此設(shè)計溝槽流路時要將流通截面積按一定比例逐級等比放大。
單個迷宮芯片厚度設(shè)計為6mm，入口數(shù)為12組雙入口，單個溝槽流路上的轉(zhuǎn)彎級數(shù)n取決于壓差，設(shè)計為24個拐角。溝槽深度h為2mm，槽入口寬度W為1.5×2=3mm，溝槽流路數(shù)N為8×2。迷宮芯片的數(shù)量M=Q/qm，設(shè)計時取M=40，計算得υ出口=38.6m/s。
3 迷宮流道的模擬
迷宮流道分串聯(lián)型、并聯(lián)型以及串聯(lián)和并聯(lián)的組合，模型如圖3所示。
（a）串聯(lián)型流道 （b）并聯(lián)型流道（c）迷宮盤
圖3 迷宮流道模型示意
對迷宮流道模擬的步驟如下：
（1）建立流道模型及有限元模型；
（2）設(shè)置邊界條件：采用進口速度和出口壓力；
（3）設(shè)置計算參數(shù)：流體介質(zhì)為液態(tài)水，密度為1000kg/m3，動力粘度系數(shù)為0.001003Pa?s。湍流模型采用標準k－ε方程；
（4）初始化參數(shù)并求解；
（5）觀察結(jié)果，分析對比，得出結(jié)論。
3.1 串聯(lián)型流道分析
對不同進口速度（υin=20、17、14、11、8m/s）時串聯(lián)型流道的流動情況進行模擬，得到模型的壓力分布情況如圖4、5所示。
圖4 串聯(lián)型流道壓力云圖（υin=20m/s）
圖5 串聯(lián)型流道壓降與入口速度的關(guān)系
3.2 并聯(lián)型流道分析
對不同進口速度（υin=20、17、14、11、8m/s）時并聯(lián)型流道的流動進行模擬，得到模型的壓力分布情況如圖6、7所示。
圖6 并聯(lián)型流道壓力云圖（υin=20m/s）
圖7 并聯(lián)型流道壓降與入口速度的關(guān)系
3.3 混合型流道分析
對不同的進口速度（vin=38.6、34.6、30.6、26.6、22.6、18.6、14.6、10.6、6.6、2.6m/s）時混合型流道的流動進行模擬，得到模型的壓力分布情況如圖8、9所示。
圖8 混合型流道壓力云圖（υin=38.6m/s）
圖9 混合型流道壓降與入口速度的關(guān)系
從圖4～9可看出，迷宮流道的節(jié)流降壓特性具有如下特點：
（1）串聯(lián)型流道、并聯(lián)型迷宮流道具有均勻降低壓力的功能。隨著流量逐漸增大，壓降均勻增加，符合迷宮式最小流量閥的逐級降壓要求。逐級均勻降壓能減少流體在閥門流道中局部空化和汽蝕，從而保證閥門安全運行。
（2）作為降壓節(jié)流的阻力元件，串聯(lián)型流道的阻力大。與串聯(lián)型流道模塊相比，并聯(lián)型流道模塊內(nèi)的流量小50%，其流速也降低，壓力下降趨緩，在流道下游段未形成縮流，降壓過程比較平緩。
在迷宮流道的設(shè)計過程中，可以根據(jù)需要進行組合。實際應(yīng)用時，一般是先讓流體經(jīng)過一段串聯(lián)型流道，讓其在較短的流道和較短的時間內(nèi)壓力迅速降低，然后再經(jīng)過并聯(lián)型流道，一方面使流體壓力繼續(xù)均勻降低，使降壓速度減慢；另一方面，通過流量的均分，使流體的出口速度降低，這樣就可以在保證節(jié)流降壓的前提下，使流經(jīng)迷宮盤上每個流道的流體，在出口處的相互干擾減小，以避免因擾動太大而導致閥體的劇烈振動。
4 調(diào)節(jié)特性的分析
采用Solidworks軟件建立10%開度的最小流量閥流道模型。利用AnsysWorkbench中的Mes-hing（ICEMCFD）工具對建立的串聯(lián)型流道模型進行網(wǎng)格劃分并細化，共產(chǎn)生單元總數(shù)3297282個，節(jié)點716982個。建立的有限元網(wǎng)格模型如圖10所示。
圖10 10%開啟閥門流道的有限元模型
在10%行程時，υin=0.01m/s時，速度分布及壓力分布如圖11、12所示。
圖11 速度云圖
圖12 速度矢量圖
通過速度矢量圖分析可知，流體在閥腔中的流動呈螺旋狀，這可能由于迷宮盤的串聯(lián)型迷宮入口與盤的柱面不是完全垂直而是成一定的角度的原因造成的。
從XY剖面上速度云圖來看，整個流道除節(jié)流副附近變化較大外，其余速度變化均很緩慢。靠近出口流道的迷宮盤的出口部分，最上部兩片迷宮盤的流速較大。
通過分別建立10%～90%（每10%建立）行程的調(diào)節(jié)閥流道模型，并對其進行模擬分析，得出壓力、速度等參數(shù)，最后通過相關(guān)公式計算得出流動系數(shù)及流阻系數(shù)，從而分析流量特性是否滿足預期要求。
通過對10%行程的流道進行模擬，得到速度及壓力等參數(shù)：
閥門前后管道壓差ΔP=7.936kPa，閥門入口速度υ=0.01m/s。
計算流量系數(shù)：
（1）
式中 KV———流量系數(shù)
Q———體積流量，m3/s
ρ———流體密度，kg/m3
ΔP———閥門的壓力損失，MPa
各數(shù)值代入（1）得出：
KV=126.89
計算流阻系數(shù)：
（2）
式中 ξ———流阻系數(shù)
υ———平均速度，m/s
各數(shù)值代入式（2）得出：
ξ=158.72
通過計算可以看出，流阻系數(shù)比一般調(diào)節(jié)閥的流阻系數(shù)高出2～3倍以上，達到了預期的效果。
5 結(jié)語
利用Solidworks等建模軟件建立閥門實體模型，利用ANSYS有限元分析軟件，建立閥門有限元分析模型，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，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，為保證閥門的使用壽命和可靠性提供理論依據(jù)。
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