再熱器噴水調節(jié)閥迷宮片流場數值研究

王珊珊，費民，陸佳銘

再熱器噴水調節(jié)閥迷宮片流場數值研究

王珊珊，費民，陸佳銘

（中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海201316）

以再熱器噴水調節(jié)閥為研究對象，采用UG三維軟件對五種迷宮片相互錯疊組成的芯包建立三維流道模型，通過ANSYS12.0-ICEM與Fluent對不同開度工況進行模擬計算，結果表明：閥門流通能力Cv計算值與試驗值對比誤差在5%以內，迷宮片VI中局部流速達76.8 m/s，最可能造成閥門沖刷失效的區(qū)域在迷宮片VI中。

調節(jié)閥；迷宮片；流場分析；數值模擬

再熱器噴水調節(jié)閥采用給水泵中間抽頭的給水作為介質，用來控制加熱器、再熱器和過熱器的溫度，防止過熱器和再熱器溫度太高。工況要求方面，噴水閥壓力高，調節(jié)精度要求高，密封要求嚴；閥門運行方面，閥門要求調節(jié)性能特別好，能完全精確控制噴水流量，從而控制鍋爐的溫度。同時閥門要求關閉性能特別好，防止泄漏，否則鍋爐溫度會下降，浪費能源，增加發(fā)電的煤耗量。

迷宮式系列調節(jié)閥門的抗汽蝕設計是利用迷宮式芯包多級降壓的原理，通過強制介質流經一系列的直角彎道使流速得到完全的控制，達到逐級降壓的目的。無論壓降大小，這些彎道的阻力使得介質流速流出芯包的速度受到限制。經過多級降壓，使介質的壓力始終維持在介質的汽化壓力之上，從而避免了汽蝕現(xiàn)象，消除了不安全因素[1-3]。本文通過對再熱器噴水調節(jié)閥在不同開度工況流場模擬計算，以研究發(fā)現(xiàn)最容易發(fā)生汽蝕的閥門開度以及迷宮片形式，為后期改進迷宮片結構形式指明研究方向。

1 結構與模型

1.1 芯包結構特點

再熱器噴水調節(jié)閥結構如圖1所示，其中閥芯采用不平衡式，閥座、閥蓋和閥體之間的采用不銹鋼石墨纏繞墊密封，閥桿和閥蓋之間采用石墨盤根密封，給水流向為上進下出，采用迷宮式芯包。

為滿足其調節(jié)性能，芯包由20片迷宮片組成，分為5種迷宮片，根據修正等百分比流量特性，迷宮片流量從小到大排列，芯包示意圖如圖2所示，迷宮片結構參數如表1所示。

圖1 再熱器噴水調節(jié)閥結構圖

圖2 迷宮式芯包示意圖

表1 迷宮片結構參數

1.2 物理模型與網格

使用UG建立三維幾何模型，如圖3所示，閥門流道分為三部分：進口段、芯包和出口段，其中芯包部分分別對五種迷宮片建立三維機械模型和流道模型，各迷宮片相互錯疊組成芯包，如圖4所示。

圖3 再熱器噴水調節(jié)閥三維模型

圖4 迷宮片三維裝配模型

使用ANSYS12.0-ICEM軟件對模型進行網格劃分，網格采用非結構化網格和結構化網格的混合網格，最小網格質量為0.35高計算精度，并節(jié)省了計算時間[4]。其中，進口段采用非結構化網格，最小網格質量0.35，芯包和出口端采用結構化網格，芯包部分最小網格質量0.85，出口端最小網格質量0.6，以VI型迷宮片網格為例，如圖5所示。

圖5 VI型迷宮片網格劃分

2 計算結果分析

2.1 計算方法與邊界條件

使用ANSYS12.0-Fluent作為流場模擬分析軟件，在重力環(huán)境下，采用湍流k-e模型[5]，出口條件采用壓力出口，進口條件為壓力進口，根據不同閥門開度計算得出質量流量和閥門流通能力CV值，即

其中，Kv為流量系數，qv為體積流量（m3/h），△p為閥門壓力損失（MPa），ρ為流體密度（kg/m3）.

閥前流體狀態(tài)為表2所示。

表2 流體介質物理狀態(tài)

2.2 迷宮片內部流動特性

分別對開度為30%、65%、100%的3種工況進行模擬。以65%開度為例，進口壓力取12.5 MPa，出口壓力取7 MPa，壓差5.5 MPa，計算得出質量流量為57.8 t/h，采用y=0截面分析閥門內部流場，其總壓圖如圖6所示。以各迷宮片橫截面分析流體在迷宮片中的流動，部分截面的總壓圖和速度圖如圖7與圖8所示。

圖6 y=0截面閥門內部流場總壓圖

（續(xù)上圖）

圖7 部分迷宮片截面壓力圖

圖8 部分迷宮片截面速度與壓力圖

計算結果表明，閥門壓降主要產生在芯包區(qū)域，進口段和出口段的壓降很小，相對于芯包壓降可忽略，最高流速產生在芯包最上層的迷宮盤VI中，局部流速達76.8 m/s，考慮閥門安全因素考慮，可能造成閥門沖刷失效，各層盤片中的最高流速均產生在流道出口處，流體流出迷宮片后在閥體內產生較大漩渦，使閥體內部總壓最低。

2.3 數值分析與設計參數對比

表3為該再熱器噴水調節(jié)閥試驗數據，表4為本文計算所得數據。通過本文式（1）與式（2）計算閥門流動能力Cv值。結果表明，再熱器噴水調節(jié)閥出口質量流量與流動能力Cv值的計算數據與試驗數據最大誤差均在5%以內，滿足設計要求。

表3 設計工況下再熱器噴水調節(jié)閥試驗數據

表4 設計工況再熱器噴水調節(jié)閥模擬數據

3 結論

（1）本文分別建立閥門開度為30%、65%、100%的整體場模型，完成不同工況，不同邊界條件的閥門整體模擬，得出閥門流場分布。計算閥門出口質量流量與流動能力Cv值，并與試驗結果對比，誤差在5%以內。

（2）閥門壓降主要產生在芯包區(qū)域，進口段和出口段的壓降很小，相對于芯包壓降可忽略。各層盤片中的最高流速均產生在流道出口處，流體流出迷宮片后在閥體內產生較大漩渦，使閥體內部總壓最低。

（3）不同閥門開度最高流速產生在65%開度芯包最上層的迷宮盤VI中，局部流速達76.8 m/s，因此，最可能造成閥門沖刷失效的區(qū)域在迷宮盤VI中，也為后期改進迷宮片結構形式指明研究方向。

[1]陸培文.閥門設計入門與精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]吳持恭.水力學[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]費祥麟，胡慶康，景思睿.高等流體力學[M].西安：西安交通大學出版社，1989.

[4]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[5]劉曄，朱曉林，王有鏜.球閥流場的數值模擬與分析[J].吉林建筑工程學院學報，2009，26（6）：29-32.

Numerical Study on Flow Field of Labyrinth Plate of Reheater Water Jet Control Valve

WANG Shan-shan，F(xiàn)EI min，LU Jia－ming
（China Power Construction Group Shanghai Energy Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 201316，China）

The reheater spray valve as the research object，establishing three-dimensional channel model using UG 3D software on five mutually staggered maze piece composed of a core is simulated by ANSYS12.0-ICEM and Fluent in different opening conditions shows that the valve flow capacity Cv calculation value and experimental value of error is less than 5%VI，a maze of local flow rate is 76.8m/s，the most likely cause of the failure of valve scour area in the maze of VI.

regulating valve；labyrinth；flow field analysis；numerical simulation

TK05

A

1672-545X（2017）07-0038-03

2017-04-04

王珊珊（1983-），女，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向：流體機械。