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關(guān)于超臨界火電迷宮式調(diào)節(jié)閥流道流場和盤片應(yīng)力的設(shè)計與應(yīng)用
發(fā)布于：2019/9/2 9:14:38 點擊量：300
火力發(fā)電在我國發(fā)電行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位，其中超臨界及超超臨界機組具有大容量、高參數(shù)、高效節(jié)能等優(yōu)勢，是火電行業(yè)的重點發(fā)展方向。火電站閥門在鍋爐啟停過程、鍋爐對空排汽、循環(huán)泵運行變化、調(diào)節(jié)對空排汽閥及循環(huán)泵最小流量等情況下均要承受高壓差。在閥門的阻力較小時，高壓差會導(dǎo)致高流速，而高速流體對閥體、閥芯的沖刷及引起的振動將嚴重影響閥門的壽命。迷宮型流道具有良好的降壓消能特性，其通過多級降壓的方式增加流道阻力，將高壓差能量分級消耗于節(jié)流裝置中，可有效解決高壓差引起的問題。目前，針對調(diào)節(jié)閥迷宮式流道的研究相對較少，蔣旭平等通過模型試驗研究了串聯(lián)型和并聯(lián)型迷宮式流道的壓降特點；許明陽等將復(fù)雜的迷宮式流道分解為簡單阻力環(huán)節(jié)的串聯(lián)，通過現(xiàn)有模型及其修正來計算每個阻力環(huán)節(jié)的阻力，從而得到總壓降，為迷宮式高壓差調(diào)節(jié)閥的設(shè)計做出了有益嘗試。上述迷宮式流道均是在低壓差、不可壓縮介質(zhì)的情況下設(shè)計的。但當(dāng)閥門在高溫高壓且工作介質(zhì)為蒸汽的情況下工作時，因氣體具有可壓縮性，故出口壓力下降時體積會膨脹，同時因盤片承受高壓，材料在高溫下強度下降，盤片的安全受到威脅。鑒此，本文研究了高溫高壓、可壓縮介質(zhì)情況下迷宮式流道結(jié)構(gòu)對流場和盤片應(yīng)力的影響規(guī)律，以期為迷宮式調(diào)節(jié)閥的設(shè)計提供參考依據(jù)。
1 迷宮式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)
圖1（a）為某型號超臨界火電迷宮式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)示意圖。迷宮式芯包為閥門最核心的部件，它由多層迷宮式盤片經(jīng)加壓、燒結(jié)而成。迷宮式盤片表面可通過電腐蝕加工成為迷宮式流道，合理設(shè)置流道的結(jié)構(gòu)和尺寸為設(shè)計迷宮式流道的關(guān)鍵。圖1（b）為對沖迷宮式盤片的結(jié)構(gòu)示意圖。盤片內(nèi)徑為44.5mm，外徑為119.0mm。盤片加工了3層環(huán)向槽，相鄰的環(huán)向槽之間用多條徑向槽連接。環(huán)向槽和徑向槽的寬度由內(nèi)向外逐漸增大。由于介質(zhì)為蒸汽，流道方向為內(nèi)進外出，因此流道的寬度逐漸增大，便于蒸汽膨脹。在設(shè)計迷宮式盤片的流道時，由于空間的限制，盤片的內(nèi)外徑往往是固定的，而徑向槽的寬度和數(shù)目、徑向槽與環(huán)向槽之間的倒角、流道深度和盤片厚度等參數(shù)是可變的。本文研究了這些可變參數(shù)對閥門流場和盤片結(jié)構(gòu)安全的影響規(guī)律。
圖1 迷宮式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)示意圖
2 研究方法
（1）連續(xù)性方程。連續(xù)性方程描述了流動過程中流體的質(zhì)量守恒性質(zhì)，其張量形式為：
（1）
式中，ρ為介質(zhì)的密度；ui為i方向介質(zhì)速度；t為時間。
（2）動量方程。動量方程描述了流動過程中流體的動量守恒性質(zhì)，其張量形式為：
（2）
其中
（3）
式中，tij、sij分別為牛頓流體中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)變率張量；p為介質(zhì)壓力；μ為介質(zhì)的動力粘度；δij為克羅內(nèi)克符號。
（3）補充輸運方程。流道進出口壓差較大，進口的過熱蒸汽在出口體積急劇膨脹，吸收熱量導(dǎo)致溫度下降，產(chǎn)生局部液化。由于液化量少，且介質(zhì)速度高，可假設(shè)濕蒸汽在微觀上均勻，其物性參數(shù)由各組分的質(zhì)量分數(shù)按比例得到，各組分共享壓力、速度和溫度場。基于這種均勻性假設(shè)，可得到補充的輸運方程為：
（4）
其中
式中
為平均密度；Yi為單位體積中第i項組分的質(zhì)量分數(shù)，各組分的質(zhì)量分數(shù)滿足關(guān)系式
（n為組分個數(shù)，因本文中只有蒸汽和液滴，故取n＝2）；Γi為分子擴散系數(shù)；μt為湍流渦粘系數(shù)；sct為紊流施密特數(shù)。
（4）能量方程。能量方程描述了流動過程中流體的能量守恒性質(zhì)，考慮組分影響后的方程為：
（5）
（6）
其中 （7）
式中，P為絕對壓力；T為絕對溫度；h為物質(zhì)的焓；λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)；Prt為普朗特數(shù)。
3 迷宮式流道流場和盤片應(yīng)力分析
3.1 常溫常壓下的試驗與計算結(jié)果
為了測試閥門的流通能力，用常溫水做介質(zhì)，在閥前設(shè)置0.2MPa壓力、閥前后壓差為0.1MPa的工況下測量閥門開度為10%和20%時的流量。同時，在相同工況下，用CFD方法計算了對應(yīng)開度下的流場。由于閥芯處承擔(dān)了閥門的主要壓降，因此計算時只考慮迷宮式盤片及其進出口附件的流道。考慮到盤片的對稱性，計算中選取圖1（b）中流道的1/16作為計算模型。表1為兩個開度下的試驗與計算結(jié)果。由表1可看出，計算值與試驗值之間的偏差小于1.25%，表明計算方法正確、可靠。
表1 常溫常壓下的試驗與計算結(jié)果
3.2 高溫高壓下的計算結(jié)果與分析
3.2.1 邊界條件
計算模型的邊界條件設(shè)置為壓力進出口邊界條件，其中進口全部為超臨界過熱蒸汽，溫度為472℃，壓力為26.55MPa，出口壓力為2.55MPa，對稱面設(shè)置為所有標(biāo)量的梯度均為零，其余面設(shè)置為無滑移壁面。由于計算域內(nèi)壓力和溫度變化較大，因此蒸汽的密度、粘度等參數(shù)變化也很大。蒸汽的物性參數(shù)可由iapws-97中5區(qū)的方程來確定。計算模型的網(wǎng)格均用六面體劃分，并需進行網(wǎng)格敏感性分析。
3.2.2 流場計算結(jié)果與分析
圖2為倒角半徑為1.5mm和無倒角兩種情況下的迷宮式流道靜壓云圖。由圖2可知，倒角對流道壓力分布有影響，尤其是倒角后面存在明顯的低壓區(qū)，這是因為倒角使其后面的漩渦和流道阻力變小、蒸汽的速度增大，壓力隨之降低。圖3為徑向槽數(shù)分別為10、8、6時流量隨倒角半徑、流道深度、流道進口和出口寬度的變化曲線。由圖3可知，在給定范圍內(nèi)，由于流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算存在一定誤差，曲線存在一定波動，但總體上流量隨倒角半徑、流道深度、進口寬度的增大而大致呈線性增長，這是因為增加流道深度和進口寬度直接影響流通面積，從而影響流量；出口寬度的流量曲線則是前期增長較快，后期則趨于平緩，這是因為流道受進口面積小的約束，蒸汽膨脹到一定程度后就不再受出口面積的影響。綜合比較而言，徑向槽數(shù)目對單個迷宮式流道的流量影響不大。
圖2 1.5mm倒角和無倒角時的靜壓云圖（單位：Pa）
圖3 徑向槽數(shù)不同時各參數(shù)對流量的影響
在盡量減小數(shù)值誤差影響的前提下，為比較各參數(shù)對流量的影響程度，采用最小二乘法對各曲線進行線性擬合，得到各擬合曲線的斜率b值，見表2。通過比較斜率b值的大小，就可得出各參數(shù)在其變化范圍內(nèi)對流動的影響程度。由表2可知，在各參數(shù)的變化范圍內(nèi)，流道深度對流量的影響最大，進口寬度和倒角次之，出口寬度最小。
表2 各參數(shù)對流量影響程度的比較 kg/s
3.2.3 應(yīng)力計算結(jié)果與分析
考慮模型的對稱性，計算應(yīng)力時只取迷宮式盤片的部分扇形結(jié)構(gòu)作為計算域。模型兩側(cè)面設(shè)置為對稱約束，由于迷宮式套筒上端面與閥蓋之間留有間隙，因此只需在模型下端面加一個固定約束，上端面是自由的。利用單向流固耦合方法，將導(dǎo)入流動計算得到的壁面靜壓作為載荷施加于固體域的流固邊界。盤片材料為316不銹鋼，依據(jù)ASME2010標(biāo)準(zhǔn)查得450℃下彈性模量為172GPa、泊松比取0.3、屈服強度Sy為179MPa。
圖4為徑向槽數(shù)為8時盤片的等效米塞斯應(yīng)力分布圖。由于流動是內(nèi)進外出，壓力逐漸降低，故盤片靠近進口部分應(yīng)力較大，拐角部分由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)也會產(chǎn)生較大的應(yīng)力。根據(jù)壓力容器應(yīng)力分析方法和鍋爐與壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對不同應(yīng)力進行分類后校核，具體標(biāo)準(zhǔn)為一次局部薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力均不應(yīng)超過材料的屈服強度Sy。在應(yīng)力最大值處的橫截面上取一條應(yīng)力校核路徑（圖4），根據(jù)等效線性法求得各應(yīng)力分量值，校核結(jié)果見表3。由表3可知，盤片的應(yīng)力分布不滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，需在結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化。可能影響盤片應(yīng)力分布的參數(shù)有倒角、徑向槽進口寬度、盤片厚度等。以設(shè)計尺寸為基準(zhǔn)，根據(jù)單一變量的原則，分別研究各參數(shù)對迷宮式盤片應(yīng)力分布的影響。利用等效線性法，得到徑向槽數(shù)不同時倒角、盤片厚度、進口寬度等參數(shù)對盤片應(yīng)力分布的影響曲線見圖5～7。由圖5～7可知：①盤片的薄膜應(yīng)力和薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力均隨倒角半徑和盤片厚度的增大而減小，這是因為設(shè)置倒角后減弱了拐角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，倒角半徑越大則應(yīng)力集中現(xiàn)象越弱，同時盤片厚度的增大會增強結(jié)構(gòu)的強度。在其他參數(shù)不變的情況下，若倒角半徑大于1mm，則盤片強度可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在其他參數(shù)不變的情況下，若盤片厚度大于7mm，則盤片強度可滿足要求。②應(yīng)力隨進口寬度的增大而增大，這是因為進口越寬，進口段介質(zhì)速度越小，壓力越大。在其他參數(shù)不變的情況下，若進口寬度小于2.5mm，則盤片強度可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可得，通過調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計，可使盤片的應(yīng)力分布滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖4 盤片等效米塞斯應(yīng)力圖（單位：MPa）
表3 應(yīng)力校核結(jié)果
圖5 徑向槽數(shù)不同時倒角半徑對應(yīng)力的影響
圖6 徑向槽數(shù)不同時盤片厚度對應(yīng)力的影響
表4 各參數(shù)對應(yīng)力分布影響程度的比較
圖7 徑向槽數(shù)不同時進口寬度對應(yīng)力的影響
通過最小二乘法對各曲線進行線性擬合，獲得各擬合曲線的斜率b值，即可比較各參數(shù)在各自變化范圍內(nèi)對應(yīng)力的影響程度，見表4。由表4可知，在各參數(shù)給定范圍內(nèi)，倒角對應(yīng)力的影響最小，而盤片厚度和進口寬度對應(yīng)力的影響較為接近。
4 結(jié)語
針對高溫高壓且工作介質(zhì)為蒸汽的情況下的超臨界火電廠迷宮式調(diào)節(jié)閥，研究了迷宮式流道徑向槽進出口寬度、倒角半徑、流道深度和盤片厚度等參數(shù)對流場和應(yīng)力分布的影響規(guī)律，結(jié)果對迷宮式調(diào)節(jié)閥的設(shè)計具有參考價值。
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