給水泵最小流量循環閥結構設計及數值模擬

(1.沈陽工程學院 機械學院，遼寧 沈陽 110136； 2.國家能源集團 遼寧電力有限公司，遼寧 沈陽 110500；3.沈陽工程學院 工程訓練中心，遼寧 沈陽 110136)

引言

最小流量循環閥是鍋爐給水系統中運行工況最惡劣的調節閥之一，如何保證其在高壓差下的工作性能是目前研究的重點[1-3]。劉佳等[4]應用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)對某新型最小流量循環閥流場進行了研究，結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3種不同結構的對沖式最小流量循環閥流場進行了數值模擬，得到了閥內壓力分布，結果表明隨著對沖次數的增加，壓降逐漸減小。蔣旭平等[6]通過模擬研究了串聯型和并聯型迷宮流道的壓力分布特點及阻力特性，結果表明串聯型流道壓降大，阻力系數大，而并聯型流道降壓過程更平緩。劉來全等[7]對迷宮流道增加了連接槽，改善了閥內的流動特性。張建華等[8]應用CFD軟件對研發的最小流量循環閥內部流場進行了仿真，得到了閥內流動參數，結果表明迷宮流道可以實現逐級穩定降壓和限制流速上升過快的作用。

從上述研究中可以發現，目前最小流量循環閥的研究側重于流道的改進，本研究將對某600 MW機組的迷宮式最小流量循環閥進行改進，并利用Fluent軟件對其內部流場進行研究，通過分析對比，探究不同流道通流面和不同流道數量對壓降及流速調節效果的影響。

1 最小流量循環閥及其迷宮盤結構

所研究的迷宮式最小流量循環閥樣機如圖1a所示，其結構主要由閥蓋、閥體、閥桿、閥芯、迷宮盤和閥座6部分組成，閥體內部流體運行方式為流關型(即側管道為進口，下管道為出口)如圖1b所示。

圖1 最小流量循環閥Fig.1 Minimum flow regulating valve

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

迷宮盤作為最小流量循環閥的核心組成部分，如圖2a所示，是閥內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布置，經釬焊堆疊加工而成，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

當高壓高速介質從外側流入迷宮盤時，其內部的多級90°拐角式流道將持續消耗介質能量，并對介質進行逐級降壓，從而達到穩定降低介質壓力、控制介質流速的作用，采用迷宮式結構可以有效地保證最小流量循環閥在高壓差下的工作性能，避免汽蝕現象的發生[9-12]。

2 迷宮流道設計及流場分析

2.1 迷宮流道設計

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

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

2.2 網格劃分

將迷宮流道簡化后的模型導入到Workbench Fluid Flow模塊中，設定介質的進出口條件。由于閥門為流關型，流體運行方式為側進底出式，按照迷宮盤在循環閥內的實際安裝情況，設定迷宮流道外側兩細窄口為進口，內側寬口為出口，其余各面均為壁面條件。

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

將兩種流道模型導入網格劃分模塊中進行網格劃分。為保證計算結果的精確性，網格函數和網格方式分別采用Curvature和MultiZone來進行加密網格劃分處理，網格映射類型為Hexa。網格劃分后兩種模型的節點數和單元數見表1所示，網格劃分后模型如圖4所示。

表1 網格數量統計Tab.1 Mesh quantity statistics

圖4 網格劃分模型Fig.4 Meshing model

2.3 流道流場分析

將兩種劃分好的網格模型導入Fluent分析模塊中，進行邊界條件的設定。流道的進出口均設置為壓力邊界條件，進口處壓力為30.4 MPa，溫度為190 ℃，出口處壓力為1.0 MPa，壁面絕熱，且無滑移；流動介質為液態水，動力黏度系數為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部流場壓力梯度較大，因此壓力差值格式采用PRESTO！來進行計算；在計算中為接近真實流場環境，提高求解的穩定性，加快收斂速度，計算前采用初始化流場設置；最大迭代步數為1000步，采用自動時間尺度，目標殘差值為10-3。

分析所采用的湍流模型為標準k-ε模型。標準k-ε模型廣泛的應用于實際工程研究中，適用于高雷諾數下的湍流流動，對于不同類型的流動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，介質壓力沿流動方向上均呈現出逐級遞減的趨勢，最大壓力均發生在流道的進口位置，且流至出口處降至最低。每當介質流經迷宮流道的90°拐角式降壓級時，都會極大地消耗介質能量，將整體較大的壓差，轉變為若干個小壓差。兩種迷宮流道均實現了平穩降壓的預期目標，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，分布在各個降壓級上的壓力小，但整體壓降效果并不如原始流道，反而減小了0.3 MPa。

圖5 流道流場分析結果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對介質流速分布情況造成較大影響。兩種結構中的高速介質流均集中產生在流道通流面積突變處的前半段降壓級上，且在流動過程中呈現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。由于截面突變引發的回流對沖現象，兩種迷宮流道的最大流速均產生在流道前半段降壓級的拐角處，流至流道后半段降壓級時流速逐漸減緩。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。

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

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應截面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生在前半段，此處承擔了大部分壓降。兩種迷宮流道在截面5處均存在一個較為明顯的壓力梯度變化，可能是由于流道中第11級降壓級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處均產生了明顯的速度驟增變化，呈現出一種忽升忽降的特性，這是由于通流面積突變造成的。流道中連續的曲折變化引發了介質間的回流對沖現象，極大地消耗了介質能量，介質速度也得到了抑制。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定，介質速度均得到了有效控制。

3 最小流量循環閥整體流場分析

3.1 閥門流場分析

建立最小流量循環閥樣機模型(迷宮盤為10流道)和采用相同結構的12流道最小流量循環閥模型，利用Fluent軟件來探究不同流道數量對閥門工況的影響。

圖9 閥門流場分析結果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。高壓介質從流場入口進入，首先會對靠近進口側的迷宮盤外圍流道進行沖刷，后經呈環狀的腔體導流作用后，均勻流入迷宮盤流道內，壓力分布合理。此外，兩種模型的進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。

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模型。由于閥門結構為角閥，介質從迷宮盤各個流道流出后，自上而下運動，流速提高，流至閥門出口處逐漸趨于平緩。經計算，樣機模型的最高流速為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。

為進一步分析最小流量循環閥整體內部流場的壓力分布情況，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。介質自迷宮盤外側流入，在進口處壓力最高，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出逐級遞減的趨勢，但12流道模型在迷宮盤內的壓力小于樣機模型，壓力下降更為均勻，結構也更為合理。說明在相同壓降工況環境下，流道數量越多，分布在各個流道上的平均壓力也就越小，壓降效果也就更好。

3.2 閥門試驗驗證

通過對全開狀態下的最小流量循環閥樣機進行流量試驗來驗證仿真結果的可靠性。

樣機模型仿真結果與流量試驗結果的對比數據如表2所示。兩者流量相差4%，壓降相差0.3%，仿真值與試驗值的誤差在5%以內，表明最小流量循環閥仿真模型準確，具備較高的可靠性。

表2 仿真與試驗對比數據Tab.2 Simulation and test comparison data

4 最小流量循環閥流量特性分析

以12流道最小流量循環閥模型作為研究對象，進一步分析其通流性能。以10%階梯分別建立10%～100%，共10個不同開度情況下的循環閥模型，并對這10個循環閥模型分別進行了數值模擬，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 流動參數與相對開度關系圖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，整體趨勢為線性增長，且增長率較為平穩。

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，波動情況較為平穩，閥門的出口速度穩定在18.3 m/s左右，壓降穩定在29.4 MPa左右，說明12流道最小流量循環閥的調速和壓降效果顯著，通流能力良好。

改進后的12流道最小流量循環閥仿真結果與文獻[4]中所研究的某新型最小流量循環閥的試驗數據對比見表3所示。兩種循環閥的流量特性均呈現為直線流量特性，除出口速度略高于文獻[4]中的循環閥，改進后的12流道最小流量循環閥在各開度流量上升趨勢更加平穩，出口處壓力p1更小也更加穩定，因此具備更好的通流能力。

表3 閥門仿真試驗對比數據Tab.3 Valve simulation and test comparison datas

5 結論

(1) 迷宮流道可以將單個大壓差轉變為多個小壓差，實現穩定降壓和調控流速的作用；

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

(3) 增加流道數量可以使作用在單個流道上的壓力減小，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) 改進的12流道最小流量循環閥呈現為直線流量特性，其出口流速和壓降變化并不會隨閥門開度增加而產生明顯的波動，通流能力良好，研究結果可以為相關產品的設計和研發提供一定的參考。