最小流量調節閥性能數值模擬分析

　　采用CFD 軟件對研發(fā)的最小流量閥內部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗，得到了閥內壓力、速度、振動(dòng)和噪聲的情況。分析結果表明，迷宮式節流閥芯通過(guò)多級轉彎流道實(shí)現逐級穩定降壓，能夠有效的限制流速上升過(guò)快，防止由于壓力突變引起的閃蒸、氣蝕及沖蝕、振動(dòng)和噪聲的損害。

1、概述

　　超( 超) 臨界( USC) 火電機組給水泵最小流量調節閥工作在高溫、高壓和高壓差的惡劣工況下，受氣蝕、沖刷、振動(dòng)和噪聲等影響嚴重。本文介紹了研制的最小流量調節閥內部結構特點(diǎn)，并采用計算流體力學(xué)( CFD) 軟件對閥內流場(chǎng)進(jìn)行三維數值模擬仿真實(shí)驗和分析，獲得了閥內部壓力與速度分布和振動(dòng)與噪聲關(guān)系。對單層迷宮盤(pán)片內部流動(dòng)進(jìn)行了深入的研究分析，揭示了迷宮式閥芯降壓節流的原理。

2、結構特點(diǎn)

　　150Tz668Y-450W 型最小流量調節閥( 圖1)主要由閥體、閥座、節流盤(pán)、迷宮式閥芯、閥蓋、閥桿等部件組成。閥內采用的迷宮式多級降壓節流組件是由多個(gè)迷宮式盤(pán)片采用特殊工藝制成的一體化結構，每一層單獨的盤(pán)片上都由電火花刻蝕出多級拐彎的類(lèi)似迷宮狀的流道，流體在迷宮流道中曲折流動(dòng)，可以實(shí)現多級逐步穩定降壓、限制流速上升過(guò)快，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為可以從而減輕流體對閥內件的沖刷，有效地防止閃蒸及氣蝕危害，延長(cháng)使用壽命。

3、仿真計算流程

　　3.1、建立流道模型

　　利用SolidWorks 三維實(shí)體建模軟件，對閥腔內部流道建立了流道模型( 圖2，圖3) 。整體模型由外部閥腔流道，內部閥芯流道以及迷宮式盤(pán)片流道三部分裝配組成。

1. 閥蓋2. 閥桿3. 迷宮閥芯4. 節流盤(pán)5. 閥座6. 閥體

圖1 最小流量調節閥

圖2 閥內流道模型

圖3 單層盤(pán)片流道模型

　　3.2、計算網(wǎng)格劃分

　　流道模型網(wǎng)格由ICEM - CFD 軟件劃分生成( 圖4) 。最小流量調節閥內腔形狀和流動(dòng)狀態(tài)十分復雜，采用四面體/混合網(wǎng)格的方式，與自適應網(wǎng)格劃分方法生成閥內流動(dòng)區域貼體網(wǎng)格。為了計算結果更加精確，對每一層迷宮盤(pán)片中的拐彎流道分別進(jìn)行了加密處理。

4、數值模擬計算及結果

　　選取實(shí)際運行工況中最為苛刻的一種，介質(zhì)為高溫水，其入口溫度為138 ～ 187℃，介質(zhì)平均密度為903. 9 kg /m3，邊界條件設置為壓力進(jìn)口和壓力出口，進(jìn)口壓力為41. 3MPa，出口壓力為1. 3MPa，閥門(mén)開(kāi)度為67. 1 %。在定常及不可壓縮條件下，對流道模型中的流動(dòng)在Fluent 中進(jìn)行數值模擬求解。

圖4 單層迷宮盤(pán)片網(wǎng)格

　　4.1、壓力場(chǎng)分析

　　通過(guò)求解得到閥內流場(chǎng)的壓力分布情況( 圖5，圖6) 。閥門(mén)進(jìn)口、出口及中間閥芯流道壓力分布均勻，中心流道壓力最低。迷宮流道中流體由外側流至內側，入口處壓力最大，出口壓力最小，呈現出逐級下降的趨勢，壓力下降速率均勻，較好的達到了分段逐級降壓的預期效果。

圖5 Z = 0mm 截面壓力分布( Pa)

圖6 y = 253mm 水平截面壓力分布云圖( Pa)

　　4.2、速度場(chǎng)分析

　　通過(guò)求解得到流場(chǎng)速度分布( 圖7，圖8) 。閥門(mén)內部流道結構復雜，致使速度分布不均勻。閥內整體流速較低，在拐角區域存在明顯的低速區，迷宮盤(pán)片內流速由外側入口向內側出口逐級穩定上升，最大流速多發(fā)生在流道拐彎處。整體上流速呈現出平緩上升的態(tài)勢，得到了有效的控制。

圖7 Z = 0mm 截面速度分布( m /s)

圖8 y = 253mm 水平截面上速度分布云圖( m /s)

　　4.3、盤(pán)片降壓限速分析

　　迷宮盤(pán)片8 條流道呈中心對稱(chēng)排列，取其中的單個(gè)流道建立模型進(jìn)行深入分析。得出迷宮流道內壓力與速度局部放大圖( 圖9，圖10) 。從流道入口面開(kāi)始，每隔五級拐彎測定流道截面平均壓力與平均速度，繪制成盤(pán)片內部壓力及速度曲線(xiàn)( 圖11) 。

圖9 迷宮流道壓力場(chǎng)局部放大圖( Pa)

圖10 迷宮流道速度場(chǎng)局部放大( m /s)

由分析結果得出，盤(pán)片流道中的流體幾乎每經(jīng)過(guò)一級轉彎流道，壓力就比較均勻的下降一個(gè)等級，下降多級拐彎將整體上一次大壓降分解為多次的小壓降，將壓力突變改為壓力漸變，使流體壓力均保持在飽和蒸汽壓Pv以上，能夠有效的避免閃蒸和空化現象的發(fā)生，防止氣蝕損害。流速分布比較均勻，在接近出口處后半段流道內流速上升相對較快。經(jīng)測算盤(pán)片內部流道平均流速V = 25. 1m /s，入口面平均流速V1 = 16. 65 m /s，出口面平均流速V2 =28. 42m /s，在30m /s 的限制范圍之內，表明多級拐彎迷宮式盤(pán)片能夠取得良好的限速作用，減輕振動(dòng)及噪聲危害。

圖11 盤(pán)片內部壓力及速度曲線(xiàn)

　　4.4、噪聲分析

　　調節閥( 工作介質(zhì)為液體) 的噪聲主要是流體流過(guò)閥門(mén)節流區產(chǎn)生高壓降，引起介質(zhì)流速變大，產(chǎn)生湍流和渦流，導致閥體振動(dòng)劇烈、噪聲嚴重，此類(lèi)噪聲也稱(chēng)為液體動(dòng)力噪聲。高壓差下調節閥液體動(dòng)力噪聲往往會(huì )超過(guò)相關(guān)標準的限制值。對調節閥所產(chǎn)生的液體噪聲進(jìn)行理論預測，能為相關(guān)結構的改進(jìn)提供參考。

　　以迷宮盤(pán)片單流道每一級前后的壓力大小，為最小流量調節閥噪聲的預測提供相關(guān)數據。以第一級計算為例，其進(jìn)口壓力41. 3MPa，出口壓力40. 0MPa，飽和蒸汽壓為PV = 476kPa，壓力恢復系數FL = 0. 85，質(zhì)量流量q = 151. 99kg /s，管道壁厚tp= 4. 35mm，主要如表1 所示。

　　通過(guò)計算可得迷宮盤(pán)片第一級輻射總聲壓級為59. 17dB。其他各級采用同樣的計算方法。迷宮盤(pán)片共55 級。最后對不同級數總聲壓疊加，LpAe，1m為

　　通過(guò)疊加計算得出最小流量調節閥在閥體下游1m 處輻射噪聲的總聲壓級為71. 65dB(A) ，滿(mǎn)足標準GBJ 87 - 1985 對噪聲90dB( A) 的要求，故針對此工況下可以采用多級降壓迷宮盤(pán)片。

表1 迷宮盤(pán)片第一級噪聲理論計算

5、結語(yǔ)

　　采用CFD 軟件對150Tz668Y - 450W 型最小流量調節閥內部流場(chǎng)進(jìn)行三維湍流數值模擬計算，結果表明，多級降壓迷宮盤(pán)片的結構設計合理。

　　(1) 在40MPa 的高壓差條件下，由特殊結構的多層迷宮式盤(pán)片疊加組成的迷宮式降壓節流閥芯能夠使流體在多級拐彎流道中逐漸消耗能量，實(shí)現分段多級降壓，限制流速過(guò)快的預期目的。將常規調節閥內部的壓力突變改變?yōu)閴毫�漸變，能有效地防止和減輕閃蒸氣蝕的危害。

　　(2) 借助CFD 計算流體力學(xué)軟件對閥內流場(chǎng)進(jìn)行仿真實(shí)驗，能夠較為準確地獲得流場(chǎng)內部各個(gè)位置的壓力、速度等流動(dòng)參數并進(jìn)行分析。采用CFD 軟件輔助設計可以加快研發(fā)周期，減少研制成本，為最小流量閥的研究提供參考，為該產(chǎn)品的國產(chǎn)化方案實(shí)施奠定一定的基礎。

　　(3) 從噪聲預測計算結果中可得出各種參數對液體動(dòng)力噪聲的影響，其中壓差和速度的影響最大，速度越高，噪聲越大。壓差越大，噪聲越大。