多級籠式套筒減壓閥的設計及閥口流量特性研究

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(1.武漢第二船舶設計研究所， 湖北 武漢 430064；2.北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院， 北京 100124)

引言

我國船舶蒸汽動力系統汽輪給水泵組屬于小容量機組，一般配置自力式開關型最小流量再循環閥。即在汽輪給水泵流量小到某一限值時，最小流量再循環閥在給水壓差作用下直接從全關狀態開啟到全開狀態。 從實際使用效果看， 所配置的再循環閥能保護給水泵在小流量工況下的安全性，但存在小流量工況時機組振動噪聲顯著放大的現象[1-3]。由于船舶給水機組的常用工況恰好為小流量工況，從而使給水泵機組成為整船重要的振動噪聲源，需要進行振動噪聲的治理。

根據船上的空間與功能要求，結合給水調節閥的功能特點，提出了新型聯動再循環閥的概念。即設置一個與給水閥具有聯動功能的回水閥門，利用原有的給水調節閥的一個電動執行器，可同時驅動給水調節閥以及回水閥門[3]。當處于給水調節閥開度較小的工況下，聯動打開回水閥門，使給水泵流量不至于太小，可避免使給水泵運行在振動較大的工況，從而滿足給水泵的工作安全性。如圖1所示，回水調節閥與給水調節閥并聯布置，兩者通過連桿機構實現聯動，并由給水調節閥原有的1個電動頭來驅動閥桿。2個閥門各有1個進水口與1個出水口，為了提高單個閥門的可維修性，將2個閥門進行分體式布置。本研究運用FLUENT軟件對閥內部流場進行數值仿真研究，得到不同閥口開度下流場的壓力、速度分布以及流量系數等流量特性參數，并將仿真與試驗結果相比較，驗證理論研究的正確性，為回水調節閥的設計與研究提供依據。

圖1 回水調節閥與給水調節閥聯動原理方案

1 多級籠式套筒減壓閥結構及工作原理

1.1 多級籠式套筒減壓閥結構介紹

多級籠式套筒減壓閥由回水調節閥本體和連桿機構兩大部分組成，如圖2所示，閥的主要性能參數見表1，其主要設計特點包括：

圖2 回水調節閥及傳動裝置結構原理圖

類別數值公稱壓力/MPa10公稱通徑/mm80工作溫度/℃65～104額定進口壓力/MPa3．5出口壓力/MPa0．4額定流量/m3·h-170閥桿行程/mm75

(1) 閥芯和籠罩組合成兩級減壓結構，閥門調節過程中，兩級的開度相匹配，可充分利用每級的減壓節流效能，控制每一級壓差，防止發生空泡噪音；

(2) 閥芯與閥桿為分體活動結構。閥芯下行需閥桿先下行，閥桿下端臺階與閥芯脫離，然后在彈簧力作用下閥芯下行至閥桿的相應位置，即實現閥芯與閥桿的隨動。閥芯上行時，靠閥桿的臺階拉動；

(3) 閥桿采用17-4PH材料，具有較好耐腐蝕性能，并具有較高的屈服強度。閥桿上開有孔與槽，以實現閥芯上下水壓力的平衡；

(4) 閥芯兩級外徑差、以及彈簧設計兼顧了閥門密封力以及電動頭提升力能力的要求；

(5) 閥座接觸面以及閥芯外表面采用了表面低壓固氮處理技術，提高抗沖蝕能力。閥芯和閥桿的密封圈采用特殊聚四氟乙烯，以降低閥芯、閥桿分別與閥蓋運動時的摩擦力；

(6) 連桿1、連桿2與連桿機構通過球形頭活套連接，實現連桿1、連桿2上下直線自由運動，杠桿圓周自由運動；

(7) 連桿機構的活動部件采用粉末治金和38CrMoAl等摩擦系數較小或耐磨擦材料，并采用表面氮化等相關工藝來提高其表面硬度，從而滿足活動副的要求。

2 多級籠式套筒減壓閥流場仿真

2.1 控制方程

由于該計算域結構體相對較復雜，因而流動比較復雜，并且流體為不可壓低速流，可應用RNGk-ε標準湍流進行理論建模[4]：

動量方程為：

(1)

式中，ρ為介質的密度，ui、uj分別為沿i、j方向的速度分量，p為壓力，u為水的動力黏度。

渦動動能方程為：

(2)

式中，k為渦動動能系數，ε為渦動動能耗散率。

渦動動能耗散率方程為：

(3)

式中，Cε1、Cε12為模型計算的經驗常數。

(4)

渦黏性系數ut為：

ut=ρCμk2/ε

(5)

渦動動能生成項P為：

(6)

式中，um為沿m方向的速度分量。

2.2 網格劃分

運用三維軟件SolidWorks對回水調節閥進行三維建模，并提取不同閥口開度的流體域，導入FLUENT軟件中對流體域進行計算的前處理[5]。由于回水調節閥多級減壓閥口處幾何特征較為復雜，為了保證計算的精度，采用分塊網格劃分的方法劃分網格，在進出水口處以結構化網格劃分，閥體流道部分以非結構網格劃分，對多級閥口處的網格進行局部加密。圖3所示為回水閥在開度為50%時流體域的網格，網格數為20975個。

圖3 回水調節閥流體域網格劃分結果

2.3 邊界條件及計算方法

運用采用基于壓力速度耦合的SIMPLE算法對回水調節閥口進行靜態計算[6]，設置的邊界條件為：

(1) 入口壓力為3.5 MPa，出口壓力為0.4 MPa；

(2) 采用水為流動介質進行計算，溫度70 ℃時水的密度為977.8 kg/m3，動力黏度為0.406×10-3Pa·s，運動黏度為0.415×10-6m2/s；

(3) 不考慮流體的熱量交換，即假定壁面絕熱，壁面和流體之間沒有熱交換；

(4) 收斂精度設置為10-4，迭代步數為2000。

3 數值計算及試驗結果分析

3.1 流場仿真結果

圖4、圖5分別為閥口開度為50%和100%時的回水閥的壓力分布云圖。由圖4可知，回水調節閥進出口段的壓力分布較為均勻， 在閥芯的減壓孔和籠罩的減壓孔連通處產生明顯的壓降，壓力值由2.5 MPa降為1.5 MPa。當閥口開度為100%時，回水調節閥進出口處的壓力分布變化不大，而閥口處的壓力下降區域變大，減壓效果增強，說明隨著閥口開度的增大，回水閥的減壓效果更加明顯。

圖4 閥口開度50%時對稱面上壓力分布云圖

圖5 閥口開度100%時對稱面上壓力分布云圖

圖6、圖7分別為閥口開度為50%和100%時的回水閥的速度分布云圖。由圖可知，閥口開度100%時回水調節閥入口段的速度分布比50%時均勻，且閥口處的速度增大更為明顯，最大流速達到1000 m·s-1。而在入口段的右下側及出口段右上側流道拐角處流速為0 m·s-1，即此處為回水閥門工作時介質流動的閉死區域。

圖6 閥口開度50%時對稱面上速度分布云圖

圖7 閥口開度100%時對稱面上速度分布云圖

3.2 流量特性曲線

為驗證閥門流量特性，委托國家泵閥產品質量監督檢驗中心進行了流量特性檢測。測試項目主要包括回水閥在各種開度下的雷諾數、流量系數、流阻系數、閥門升程流量特性曲線等。數值仿真和試驗得到的開度(h)-流量(q)曲線對比如圖8所示，可以看出仿真和試驗結果總體上吻合性較好。

圖8 閥口開度-流量曲線圖

4 結論

(1) 具有聯動功能的回水調節閥能夠在汽輪給水泵組小流量工況下提供足夠的給水量，提高給水泵的工作流量，提高給水泵的工作安全性。

(2) 閥口開度越大，回水調節閥口處的壓力下降越明顯，且內部流體的速度分布越均勻，即閥的減壓性能越好。

(3) 試驗結果顯示，回水調節閥在額定給水壓力下的最大流量為71 m3·h-1，與仿真計算值基本吻合，達到了設計指標，且開度流量特性曲線線形度好，滿足要求。

參考文獻：

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[5] 王燕,徐曉剛,等.多級套筒調節閥流場數值模擬與流量特性研究[J].石油化工自動化,2013,49(1):50-53.

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