1 引言

    超超臨界火電機(jī)組最小流量調(diào)節(jié)閥又稱(chēng)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(guò)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(gè)規(guī)定的安全流量，也就是最小流量。當(dāng)鍋爐給水需要流量很小時(shí)，需及時(shí)打開(kāi)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(yùn)行。

    小流量調(diào)節(jié)閥運(yùn)行工況非常惡劣。在小流量調(diào)節(jié)閥處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，需要將高溫高壓的水逐級(jí)降壓，在降壓過(guò)程中盡可能減少汽蝕發(fā)生。處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，需承受高達(dá)35MPa甚至更高的靜壓差，做到關(guān)閉嚴(yán)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(guò)控制流道面積和節(jié)流級(jí)數(shù)而控制介質(zhì)流速，以及提高節(jié)流副阻力系數(shù)達(dá)到減小流體在閥門(mén)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(pán)其尺寸較小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)物試驗(yàn)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(zhǔn)確。

    2 節(jié)流副結(jié)構(gòu)

    閥門(mén)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(diǎn)及相關(guān)計(jì)算如下：

    （1）迷宮節(jié)流副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    單個(gè)迷宮盤(pán)上下加工開(kāi)槽，開(kāi)槽采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，入口設(shè)計(jì)為串連結(jié)構(gòu)，經(jīng)一定的轉(zhuǎn)彎級(jí)數(shù)后變?yōu)椴⒙?lián)結(jié)構(gòu)。整個(gè)迷宮節(jié)流副由多片單個(gè)的迷宮盤(pán)互相交錯(cuò)疊加，經(jīng)釬焊而成。

    （2）流路設(shè)計(jì)

    因閥門(mén)使用介質(zhì)為液體，采用側(cè)進(jìn)底出，流關(guān)型結(jié)構(gòu)，特性曲線為線性，保證在15%～85%開(kāi)度范圍內(nèi)能夠正常調(diào)節(jié)。迷宮的流路設(shè)計(jì)保證出口的流速小于或接近30m/s，保證對(duì)節(jié)流副元件的沖刷影響最小。

    （3）迷宮芯片設(shè)計(jì)

    迷宮式芯片的設(shè)計(jì)是為了提高閥門(mén)的抗氣蝕功能，利用迷宮式芯包多級(jí)降壓的原理，通過(guò)強(qiáng)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(dá)到逐級(jí)降壓的目的。設(shè)計(jì)芯片時(shí)主要考慮流體的降壓及氣體體積的膨脹，因此設(shè)計(jì)溝槽流路時(shí)要將流通截面積按一定比例逐級(jí)等比放大。

    單個(gè)迷宮芯片厚度設(shè)計(jì)為6mm，入口數(shù)為12組雙入口，單個(gè)溝槽流路上的轉(zhuǎn)彎級(jí)數(shù)n取決于壓差，設(shè)計(jì)為24個(gè)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/q_m，設(shè)計(jì)時(shí)取M=40，計(jì)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(pán)

圖3 迷宮流道模型示意

    對(duì)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(jìn)口速度和出口壓力；

    （3）設(shè)置計(jì)算參數(shù)：流體介質(zhì)為液態(tài)水，密度為1000kg/m³，動(dòng)力粘度系數(shù)為0.001003Pa?s。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程；

    （4）初始化參數(shù)并求解；

    （5）觀察結(jié)果，分析對(duì)比，得出結(jié)論。

    3.1 串聯(lián)型流道分析

    對(duì)不同進(jìn)口速度（υ_in=20、17、14、11、8m/s）時(shí)串聯(lián)型流道的流動(dòng)情況進(jìn)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（υ_in=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(duì)不同進(jìn)口速度（υ_in=20、17、14、11、8m/s）時(shí)并聯(lián)型流道的流動(dòng)進(jìn)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（υ_in=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(duì)不同的進(jìn)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(shí)混合型流道的流動(dòng)進(jìn)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（υ_in=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(diǎn)：

    （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(jí)降壓要求。逐級(jí)均勻降壓能減少流體在閥門(mén)流道中局部空化和汽蝕，從而保證閥門(mén)安全運(yùn)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(guò)程比較平緩。

    在迷宮流道的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以根據(jù)需要進(jìn)行組合。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般是先讓流體經(jīng)過(guò)一段串聯(lián)型流道，讓其在較短的流道和較短的時(shí)間內(nèi)壓力迅速降低，然后再經(jīng)過(guò)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(guò)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(pán)上每個(gè)流道的流體，在出口處的相互干擾減小，以避免因擾動(dòng)太大而導(dǎo)致閥體的劇烈振動(dòng)。

    4 調(diào)節(jié)特性的分析

    采用Solidworks軟件建立10%開(kāi)度的最小流量閥流道模型。利用AnsysWorkbench中的Mes-hing（ICEMCFD）工具對(duì)建立的串聯(lián)型流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并細(xì)化，共產(chǎn)生單元總數(shù)3297282個(gè)，節(jié)點(diǎn)716982個(gè)。建立的有限元網(wǎng)格模型如圖10所示。

圖10 10%開(kāi)啟閥門(mén)流道的有限元模型

    在10%行程時(shí)，υ_in=0.01m/s時(shí)，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(guò)速度矢量圖分析可知，流體在閥腔中的流動(dòng)呈螺旋狀，這可能由于迷宮盤(pán)的串聯(lián)型迷宮入口與盤(pán)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(lái)看，整個(gè)流道除節(jié)流副附近變化較大外，其余速度變化均很緩慢?？拷隹诹鞯赖拿詫m盤(pán)的出口部分，最上部?jī)善詫m盤(pán)的流速較大。

    通過(guò)分別建立10%～90%（每10%建立）行程的調(diào)節(jié)閥流道模型，并對(duì)其進(jìn)行模擬分析，得出壓力、速度等參數(shù)，最后通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算得出流動(dòng)系數(shù)及流阻系數(shù)，從而分析流量特性是否滿(mǎn)足預(yù)期要求。

    通過(guò)對(duì)10%行程的流道進(jìn)行模擬，得到速度及壓力等參數(shù)：

    閥門(mén)前后管道壓差ΔP=7.936kPa，閥門(mén)入口速度υ=0.01m/s。

    計(jì)算流量系數(shù)：

        （1）

    式中  K_V———流量系數(shù)

    Q———體積流量，m³/s

    ρ———流體密度，kg/m³

    ΔP———閥門(mén)的壓力損失，MPa

    各數(shù)值代入（1）得出：

    K_V=126.89

    計(jì)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(guò)計(jì)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(dá)到了預(yù)期的效果。

    5 結(jié)語(yǔ)

    利用Solidworks等建模軟件建立閥門(mén)實(shí)體模型，利用ANSYS有限元分析軟件，建立閥門(mén)有限元分析模型，通過(guò)控制流道面積和節(jié)流級(jí)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(dá)到減小流體在閥門(mén)流道中產(chǎn)生汽蝕的可能性，為保證閥門(mén)的使用壽命和可靠性提供理論依據(jù)。

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