電站調節閥閥體結構參數對流阻特性的影響

龔俊霖, 黃天成*, 周青楊, 姚周坤, 華劍

(1.長江大學機械工程學院, 荊州 434023; 2.長江大學機械結構強度與振動研究所, 荊州 434023;3.武漢鍋爐集團閥門有限公司, 武漢 430000)

調節閥作為重要的壓力管道元件,主要在流體介質輸送中起到調節流量和壓力的作用,是現代工業過程系統中確保各種工藝設備正常工作的重要元件[1-3],隨著裝置的高參數和大型化,以及一些高溫、高壓差的復雜工況不斷涌現,如何提高調節閥性能已成為主要研究方向,截至目前,對調節閥的研究主要集中在閥芯的結構設計和流場分析上[4-6]。王偉波等[7]對調節閥的等百分比流量特性的窗口型線進行研究,得到套筒與閥座之間的環向間隙在小開度情況下,對閥門流量系數影響較大。管桉琦等[8]設計了一種兩級多孔套筒結構,并采用數值仿真的方法對比分析了套筒開孔優化前后的流場。劉秀梅等[9]基于計算流體動力學方法,數值研究了液壓調節閥內瞬態流動及其壓力脈動特性。徐東濤等[10]針對多級降壓調節閥渦激振動現象,基于計算流體力學與熱流固耦合模態分析方法,仿真得到3種工況下流體壓力、渦核速度分布云圖。蔣永兵等[11]研究了內外層套筒開孔孔徑組合對流量特性的影響。賴慶峰[12]對套筒式調節閥進行不同開度的仿真,將其得到結果與試驗數據對比基本吻合。Qian等[13-14]討論了閥芯結構的形狀和套筒的窗口形狀對調節閥流量特性的影響。高志新等[15]研究了閥體及閥座對流量特性的影響,結果表明：入口腔和中腔對閥體的流量系數影響最大。王冠等[16]研究了多級降壓調節閥不同結構參數的閥芯對流阻系數的影響。

綜上可知,前人研究多集中在閥芯的結構以及流量特性[17],而忽略了調節閥閥體結構參數對流阻特性的影響,在大型閥門中流阻系數的減少能節約電能,中國的D9700止回閥因流阻系數的降低,一年可節約1.4×105kW·h[18]。能源日益緊缺,對大型閥門的節能優化設計非常重要的。鑒于此,以套筒式調節閥為分析對象,基于數值模擬的方法,結合正交實驗設計方法,分析閥體結構參數對閥體流阻特性的影響,并進行結構優化。同時對正交實驗優化后得到的閥體結構,進一步分析在閥體其他結構參數確定時,閥體的入口角度對調節閥流阻系數的影響,為套筒式調節閥的設計提供一定的依據,也為后續套筒式調節閥的結構優化提供理論支持。

1 數值計算方法

1.1 控制方程及湍流模型

在CFD(computational fluid dynamics)數值模擬過程中,需要將流體控制方程與湍流模型進行結合,調節閥流體介質流動時,其質量和動量要保持守恒,同時在分析調節閥流阻特性時,需要對其流量系數和流阻系數進行計算。

質量守恒方程為

(1)

動量守恒方程為

(2)

式中：ρ為密度;t為時間;u為速度;v、w為速度u在x、y和z方向上的分量;?為梯度算子(即在空間各方向上的全微分)：p和τ分別為微元上的壓力和黏性應力的分量;g和F分別為微元上的重力體積力和微元上的外部體積力。

流阻系數的計算公式為

(3)

流量系數的計算公式為

(4)

式(4)中：Δp為靜壓力損失,Pa;ρ為介質密度,kg/m3;ν為流體速度,m/s;Q為體積流量,m3/h;ρ0為水的密度,kg/m3。

通過調節閥的介質流動狀態為湍流流動,為了提高計算精度,采用對湍流漩渦的計算更加準確的RNG(Re- normalization group)k-ε湍流模型,其對應的輸運方程為

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

1.2 幾何模型與計算模型

圖1為某套筒式調節閥結構示意圖,其主要由閥體、閥座、套筒和閥瓣組成,介質從右側入口流入,經過套筒上的通孔之后,從左側出口流出,通過閥瓣的移動來控制調節閥的開度,從而改變系統的流量及壓力。

圖1 調節閥的結構示意圖

根據調節閥的三維幾何模型,采用三維CFD軟件反向建模的方法創建了其流體域模型,在CFD分析時,為了減小調節閥外部流體對閥體內的流場的影響,結合調節閥現場的安裝情況,對調節閥的流體域模型的進出口進行了適當的延長,入口端延長2D、出口端延長6D(D為閥門公稱直徑),得到調節閥的CFD計算模型如圖2所示。其中,圖2(a)為整體流道的模型,圖2(b)為閥腔內截面圖,可以看出,數值模擬時是按照有套筒的情況進行計算,更加貼近實際工況。

圖2 調節閥CFD計算模型

1.3 網格劃分和邊界條件

根據調節閥流體域的幾何輪廓特點,利用非結構化網格進行處理,由于中間流道部分結構較復雜,為了得到準確的計算結果,提高計算的精確度,將中間節流孔處的流道部分進行局部加密,網格劃分結果如圖3所示。

圖3 調節閥流體域網格

網格數目對計算效率和計算時間有很大的影響,因此進行網格無關性驗證對選擇合理的網格數量尤為重要?，F對該調節閥全開狀態下的流道模型進行不同網格數量下的數值模擬,結果如圖4所示,可以看出,網格數量在達到119×104后,其進出口流量基本保持一致,考慮到模擬結果的準確性和計算成本,選擇網格數量為119×104用于后續的數值模擬。

圖4 網格無關性驗證

調節閥的工作介質為574 ℃蒸汽,采用COUPLED算法,使用具有二階精度的迎風格式進行流場計算求解。調節閥的設計壓力為2.5 MPa,工作時要求要保證壓差不大于0.05 MPa,因此在邊界條件設置時,將入口壓力設置為2.5 MPa,出口壓力設置為2.45 MPa。在殘差曲線精度為10-5的情況下,對入口流量和出口流量進行監測,得到進出口流量曲線保持平衡,且殘差曲線基本保持不變時認為模擬計算結果收斂。

1.4 數值計算準確性驗證

為了驗證數值計算對調節閥介質流動的準確性,對文獻[12]中的套筒式調節閥進行模擬仿真,將得到的仿真結果與實驗數據相比較。從圖5可以看出,其走線趨勢基本一致,且偏差不大,表明選擇的數值計算方法有一定的可靠性。

圖5 數值計算準確性驗證

2 試驗設計

2.1 試驗因素確定

由于閥體的結構參數變量較多,為了準確的獲得閥體結構參數對調節閥流阻特性的影響,根據閥體的結構特點可知,影響閥門流阻特性的因素主要在于閥門內腔的結構變化,因此將調節閥閥體上腔、中腔、下腔和閥體長度4個主要部分結構參數作為試驗因素。閥體4個部分的結構參數包括上腔高度H1、上腔半徑R1、下腔高度H2、下腔半徑R2、中腔半徑R3和閥體半長H3,各因素在閥體中的位置如圖6所示。

圖6 閥內腔結構的試驗因素

2.2 各因素水平確定

根據現有調節閥結構幾何尺寸及其技術參數的要求,在調節閥內腔結構幾何尺寸允許范圍內,對各因素確定了3個水平,具體因素水平情況如表1所示。

表1 各因素及水平Table 1 Each factor and level

2.3 正交試驗方案

由于考慮調節閥閥體結構的因素及水平較多,可以采用正交試驗方法減小試驗次數、縮短試驗周期。根據表1可知,需要考慮6個因素,每個因素包含3個水平,因此可以采用表2所示的正交試驗方案。根據表2的試驗方案,建立對應的CFD分析模型,完成CFD分析。

表2 正交試驗方案Table 2 Orthogonal test scheme

3 結果與分析

對正交實驗結果進行分析一般采用極差分析與方差分析。方差分析通過檢驗多個總體的均值是否相等來判斷自變量因素是否對因變量具有顯著影響。

從表3可以看出,對流阻系數的顯著性影響的排序為R1>H2>H1>H3>R2>R3,則對流阻系數影響最顯著的是上腔半徑,最不顯著的是中腔半徑。同時可以看出中腔半徑和閥體半長對流阻系數的影響顯著性相近。則在結構優化中要想改變流阻系數時首先要對上腔半徑進行改變。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

極差指的是最大值和最小值的平均值在每個列中對應于各水平的差異。從表4可以看出,上腔半徑的極差值最大為2,則其影響程度最大,中腔半徑的極差值最小為0.01,則其影響程度最小,將各結構參數的極差值進行比較得到對流阻系數的影響程度依次為R1>H2>H1>H3>R2>R3,與方差分析的結果一致。

表4 極差分析Table 4 Range analysis

圖7為各個結構參數的主效應圖,以最小流阻系數為目標可以得到最優結構參數,對上腔高度H1,上腔半徑R1和下腔高度H2取最大值分別為388、235、420 mm,對下腔半徑R2,閥體半長H3和中腔半徑R3取最小值,分別為205、625、160 mm。

圖7 閥體各結構參數的主效應圖

對優化后的閥體結構進行建模,并對其進行仿真得到流阻系數為14.79,相比原結構流阻系數16.71,其流阻系數減少了11.49%,同時流量系數也增加了12.45%,說明優化后的結構在介質通過時所受到的結構阻力減小了,則通過閥門時的壓力損失越小,流通能力有所提升。

4 結構優化

因為該閥體為對稱結構,則出口角度與入口角度一樣,而閥體入口角度被閥體上腔長度和閥體長度所約束,所以在通過正交實驗設計后得到的最佳結構情況下,再對入口角度進行優化,在上腔高度為388 mm,閥體半長為635 mm時,其入口角度可變化范圍為29°～31°,則分別對29°、30°、31°閥體進行仿真得到表5。

表5 不同入口角度的流阻系數Table 5 Flow resistance coefficients at different inlet angles

從表5可以看出,入口角度越小的時候,壓差越小,流阻系數越小,則得到入口角度與流阻系數成正比關系,說明較小的入口角度的流通能力更好,該閥體優化選擇29°的入口角度。

通過入口角度對流阻系數的分析得到入口角度為29°時,流阻系數最小,綜合正交實驗的其他優化結構參數,將優化后的結構與原結構進行比較得到表6,可以看出,原來結構的流阻系數為16.71,通過對閥體內流道結構和入口角度的優化后,優化后的閥體流阻系數為13.46,相比降低了19.45%。

表6 優化前后對比Table 6 Comparison before and after optimization

對原結構和優化的結構均進行不同開度的仿真得到不同開度下的流阻特性曲線,如圖8所示,套筒式調節閥流阻系數在中小開度下有較明顯的變化趨勢,但是隨著開度的不斷增大,流阻系數隨開度增大而減小的趨勢越來越微弱,對于流阻系數來說,開度在40%之前,隨著開度增加,流阻系數下降明顯,但是在40%以后,可以看出,流阻系數變化不太明顯,但是通過對比兩種結構的流阻系數曲線可以看出優化后的結構不管在那個開度下的流阻系數都是小于原結構的流阻系數。

圖8 不同開度下的流阻系數

對比圖9與圖10可知,結構優化后的閥體流場中流體速度更快,說明優化后的閥體結構對閥體內的介質產生的阻力更小,使得閥體的流阻系數降低,加強了閥體的流通能力。

圖9 原結構的閥體流場圖

圖10 優化后的閥體流場圖

圖11為兩種結構的流量特性曲線,可以看出,流量系數曲線呈線性趨勢,在80%開度以后,流量增長逐漸變弱,是因為在達到80%開度下,基本已經達到閥門設計的最大流通能力,即使再開也不會有太大的變化,并且在80%～100%開度時其流阻系數無明顯變化,因此對應的流量系數變化也較小。

圖11 不同開度下的流量特性曲線

本次研究的套筒式調節閥是按照線性流量特性設計的,其理想的線性流量特性的公式為

(10)

(11)

得到理想的線性公式為

y=0.966 64x+3.338

(12)

式中：Q為體積流量,m3/h;L為開度,mm;R為可調比;Qmax為額定流量,m3/h;Lmax為最大行程,mm。

對原結構和優化的結構模擬仿真得到的流量特性曲線進行擬合得到式(13)、式(14)。

原結構流量特性曲線公式為

y=1.950 6x-2.621 59

(13)

優化后的結構流量特性曲線公式為

y=1.078 69x-0.523 72

(14)

從圖12可以看出,優化后的流量特性曲線更加貼近設計的理想曲線,因此按照優化后的結構設計更加符合設計要求曲線。同時將兩種結構與理想的線性設計曲線相比較得到的流量差值可以看出優化后的結構與設計曲線的差值更小。

圖12 優化后和原來結構與理想線性的差值

5 結論

(1)通過正交實驗設計得到閥體結構參數對流阻系數的影響程度最大的是上腔半徑,其他因素排序為下腔高度>上腔高度>閥體半長>下腔半徑>中腔半徑。同時可以通過各結構參數主效應圖可得到優化的最佳結構尺寸參數。

(2)在給定閥體其他幾何尺寸參數的情況下,入口角度越大,通過閥門的流阻系數越大,則在一定范圍內,入口角度和流阻系數是成正比,與流量系數成反比,對本次研究的調節閥來說入口角度為29°時,流阻系數最小,流量系數最大。

(3)通過正交實驗優化和入口角度優化后得到的最優結構,其流阻系數與原結構相比降低了19.45%,且流量特性曲線也更加理想。