球型調節閥內流動特性及結構優化

魯敬妮， 屠 珊， 王紅娟， 杜 洋， 洪振瀚

(西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049)

球型調節閥內流動特性及結構優化

魯敬妮， 屠 珊， 王紅娟， 杜 洋， 洪振瀚

(西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049)

以球型調節閥實體為依據建立數值模擬模型，研究小升程下閥內流體的流動特性,并基于流動分析進行調節閥的結構優化.結果表明:小升程下閥內流型交變，流場不穩定因素主要表現為環形通道氣流速度較高、靜壓變化劇烈，閥碟下方存在低速高靜壓的漩渦區，閥座及擴壓段區域壁面附近存在低速流體區域;在閥腔加裝270°節流擋板、一定程度增大入口管徑以及在閥碟下表面開圓柱形槽，都能夠改善小升程下流場極不穩定的情況；加裝270°節流擋板后，閥碟橫向受力減為原來的0.08倍；當入口管徑增大20%時閥碟受力最小，其中橫向受力減小約12%.

球型調節閥； 流動特性； 結構優化； 數值模擬

汽輪機調節閥通過改變自身開度來控制汽輪機組的啟停及負荷變化，且是機組控制系統中執行快關動作的元件，其調節能力對機組的安全、高效運行具有重要意義.然而在運行過程中調節閥閥體振動、噪聲以及由此引發的閥桿斷裂、閥座破壞等事故卻時有發生[1-2]，這使得蒸汽流量和機組輸出功率在較大范圍內波動.閥桿和閥碟振動可歸結為流固耦合問題.在該類問題中，流體與通流結構是振動系統中相互作用的兩個方面[3-4]，因而解決振動的根本措施是從流體動力學角度來研究流道內部復雜流動，揭示流動的不穩定性[5-7]，并以此為依據進行優化設計.許多學者已針對閥內的復雜流動進行了大量研究，曾立飛等[8]采用動網格技術，研究在對閥碟施加不同振幅和頻率的情況下調節閥內流場的變化情況，探討流固耦合中固體域變形對流體域的影響，結果表明閥碟振幅較大時，應該考慮閥碟振動對閥內流場的影響，閥碟振動頻率也會對閥碟表面的壓力產生顯著影響.盛偉等[9]對1 000 MW汽輪機高壓主汽閥閥殼進行了數值模擬，分析得到啟動工況時的閥殼溫度場與應力場，同時得出在綜合應力中，熱應力對閥殼損傷程度要大于蒸汽壓力產生的應力對閥殼損傷程度.Lisowski等[10]首先采用數值模擬方法研究了特定開度下的流量系數，并根據模擬結果創建了比例換向閥流量系數與其影響因素間的3個近似函數，然后通過實驗檢驗近似函數的準確性.總結之前的研究成果可知，在非全開狀態下，閥內極易出現射流沖擊、漩渦、混合等不穩定流動因素，尤其在小開度時，環形通道中靜壓急劇下降，氣流速度過快，流型交變,流場極不穩定.筆者在分析數值計算結果的基礎上，掌握球型調節閥內流動細節，找出流場不合理的地方，并據此采取適當措施改善流體在閥內的流動特性，以求優化調節閥氣動性能,提高流動效率和安全性.

1 數值計算與流動特性分析

以球型調節閥為研究對象，依據實際尺寸建立其內部流道的三維幾何模型.由于調節閥型腔結構復雜，此處采用分區非結構化網格劃分流體域，具體的分區以及對應區域的網格類型和網格間距如表1所示.圖1為該調節閥內部流道幾何模型和網格劃分情況.

表1 球型調節閥流體域網格劃分

圖1 球型調節閥流體域三維幾何模型及網格劃分示意圖

為驗證所用計算方法的準確性，在壓比為0.85工況下模擬計算不同開度下的球型調節閥質量流量，并與實際的標準流量系數曲線進行對比,如表2所示.因各開度下質量流量的相對誤差均小于5%，因此本次模擬的有效性得到驗證.

采用動網格技術對某小升程范圍(5%～10%)內的變開度非穩態工況進行數值模擬，將動區域與閥座的交界面及動區域與閥腔交界面均設置為interface，而閥碟底面1和閥碟球面2均為運動邊界.采用網格重構的方法為Spring Smoothing和Remeshing.選取時間步長為0.5 ms，共計算200個時間步，每個時間步內迭代200次.根據調節閥開啟速度設定閥碟底面1和閥碟球面2的運動速度為0.1 m/s,通過Profile文件來定義閥碟運動為valve.

表2 壓比0.85工況下的質量流量和相對誤差

入口和出口均設置為壓力邊界條件，入口總壓為6.28 MPa，入口溫度為800 K，出口壓力根據壓比確定，設置壁面絕熱條件.在閥座喉部布置3個間隔90°的測點，記為測點2、測點3和測點4，其中測點2和測點4分別位于背風側和迎風側，測點3位于y軸負方向，具體位置如圖2所示，為便于觀察，圖中把閥腔刪除，上半部分為閥桿閥碟系統，下半部分為閥座及閥座擴壓段.

圖2 閥座喉部各壓力測點位置示意圖

本次數值模擬的主要目的是研究定壓比、小升程下隨著閥碟相對開度的增大閥內流型的變化情況，以及某一特定升程下隨著壓比的變化閥座喉部測點的壓力脈動均方根值的變化，從而綜合升程、壓比兩方面找出閥內流動最復雜的工況以及流場不合理的地方，為球型調節閥結構優化提供理論依據和優化方向.為便于在流型分析中描述特定位置處的流動情況，規定入口側對應的位置為迎風側，而與迎風側相對的位置為背風側.

研究小升程下隨著調節閥開度的增加閥內流型的變化是在定壓比0.7工況下進行的.從圖3可以看出，小升程下，閥碟和閥座構成的環形通道成為整個閥內流道的第一個喉部，該結構使得流入其中的蒸汽迅速膨脹，完成壓力能向動能和內能的轉化，環形通道中出現超音速流動且靜壓變化劇烈.當流體從入口管道進入閥腔時，部分高速低靜壓流體直接進入閥碟，在與閥座構成的環形通道迎風側形成貼附閥碟流，該流型使得流體劇烈的壓力波動很容易傳遞到閥碟，引起閥碟表面的壓力波動，進而閥碟表面所受橫向力也會出現較大波動.閥門開度較小使得從環形通道流出的兩股加速蒸汽在閥座中形成對沖，對沖后的高速氣流向下偏轉過程中會因氣體的黏性作用而抽吸對沖區域上部的低速區域流體，使得局部壓力下降，同時新的氣流回來補充被帶走的氣流，因而在閥碟下方的低速流體區域存在高靜壓、低速的小漩渦區，習慣上稱之為空穴區，漩渦產生的回流會周期性地沖擊閥碟.上述2種流動情況都會危及調節閥運行的安全性.

小升程時，由于流量較小，閥座及出口擴壓段中來自環形通道的貼附閥碟流在流道中間匯聚，其余靠近壁面的氣流速度較低，并在此區域形成漩渦，造成流動損失.圖4為壓力測點處靜壓以及壓力脈動均方根值隨開啟時間的變化趨勢.由圖4可知，小升程(5%～10%)時，壓力測點處靜壓值和壓力脈動均方根值隨壓比發生跳躍式的劇烈變化.綜上分析可知，小升程下閥內流型交變、流場極不穩定.

(a) 相對升程為5.5%

(b) 相對升程為7.5%

(c) 相對升程為10%

因而在閥腔結構優化時，要從小升程下的流動特性去尋找優化途徑，以改善環形通道中的貼附閥碟流，這樣既可以防止流體劇烈的壓力波動通過流體與固體界面的相互作用而傳遞到閥碟表面，引起閥碟表面受力的變化，還可以改善閥座及擴壓段中壁面附近區域的回流;另一方面就是要改善空穴區的流動情況，預防該區域產生的漩渦周期性沖擊閥碟.

2 結構優化及受力分析

基于上述小升程下調節閥內流型及閥內關鍵點的壓力波動分析，主要從閥腔加裝節流擋板、增大入口管徑和在閥碟上開槽3方面對調節閥進行結構優化.所有研究模型結構變化的模擬均在定壓比0.7、相對升程為10%的工況下進行，且均為穩態模擬，主要通過驗證改造后的結構能否改善流動狀況來說明此結構是否合理.

(a)

(b)

2.1 閥腔加裝多孔節流擋板

所研究的2種結構形式的節流擋板分別為270°節流擋板和180°節流擋板，其結構及安裝位置如圖5所示.

(a) 270°節流擋板的結構圖

(b) 270°節流擋板安裝位置

(c) 180°節流擋板安裝位置

圖6給出了加裝節流擋板前后球型調節閥內的三維流線圖.由圖6可知，與原型閥相比，加裝180°節流擋板后,環形通道中迎風側流體由貼附閥碟流轉變為射流，背風側流體由貼附閥座流轉變為射流，兩股流體在閥座中心撞擊，主流位于閥座中心.但閥座迎風側和背風側都出現了漩渦，閥座流場存在很大的不穩定因素.加裝270°節流擋板后,環形通道中迎風側流體由貼附閥碟流轉變為射流，流體的壓力波動不再容易傳遞到閥碟，雖然也在閥座迎風側形成漩渦，但漩渦強度要遠小于原型閥迎風側.且在閥座背風側沒有形成大漩渦，流型依然為貼附閥座流動，流動穩定.閥腔內無論加裝哪種節流擋板，擴壓段中流體匯聚在中間流道而使得靠近壁面區域出現回流的情況都有所改善.

(a) 原型閥

(b) 加裝180°節流擋板

(c) 加裝270°節流擋板

從球型調節閥的實際應用來看小升程下閥內出現的是橫向振動，因此該處也就加裝節流擋板前后閥碟受力進行分析.從表3可以看出，在閥腔中加裝節流擋板可顯著減小閥碟橫向受力，加裝180°節流擋板后閥碟橫向受力相對于原型閥減小58.2%，加裝270°節流擋板閥碟橫向受力相對于原型閥減小92.4%，即僅為原型閥橫向受力的0.08倍.而加裝節流擋板后閥碟縱向受力只有小幅減小，基本維持不變.

表3 閥腔內加裝節流擋板前后閥碟受力情況

綜上所述，與原型閥和加裝180°節流擋板相比，在閥腔加裝270°節流擋板能夠顯著促進流場穩定，減小閥碟橫向受力，降低中等壓比、小升程下閥內發生閥碟振動的可能性.

2.2 增大入口管徑

將調節閥的入口管徑分別在原型閥基礎上增大10%、20%和30%，其三維流線圖見圖7.對比圖6(a)、圖7(a)和圖7 (b)可以看出，隨著調節閥入口管徑的增大，環形通道中迎風側流體貼附閥碟流動現象在減弱，閥座迎風側的漩渦在減小，流動趨向均勻.但從圖7(c)可以看到，當入口管徑增大過大時，閥座喉部迎風側漩渦又出現增大趨勢.

表4給出了入口管徑增大前后球型調節閥閥碟受力情況.從表4可以看出，隨著入口管徑的增大，調節閥閥碟的橫向受力和縱向受力均先減小后增大.當入口管徑增大20%時，閥碟的橫向受力和縱向受力最小，其中橫向受力減小約12%，縱向受力減小幅度較小.因此，增大球型調節閥入口管徑可以改善流動狀況、減小閥碟受力，但是存在一個最佳增大值，就本文研究而言，入口管徑增大20%時為最優.

(a) 入口管徑增大10%

(b) 入口管徑增大20%

(c) 入口管徑增大30%

表4 入口管徑增大前后球型調節閥閥碟受力情況

2.3 閥碟上開槽

在閥碟底部正中間開一個圓柱形槽，槽底面直徑為63 mm、高為20 mm，閥碟底部開槽前后球型調節閥yz截面的速度矢量圖見圖8.對比圖8(a)和圖8(b)可以看出，原型閥環形通道中迎風側和背風側流體撞擊位置偏向背風側，迎風側為貼附閥碟流，閥座迎風側壁面附近存在低速流體區域，該區域必將存在回流，空穴區存在漩渦.而開槽后環形通道中迎風側和背風側流體撞擊位置偏向閥座中心，且閥座迎風側大漩渦強度有所減弱，同時可以看到在槽內出現相比于空穴區較小的漩渦，說明原本空穴區因抽吸作用而產生的漩渦在槽內得到緩沖，降低了對閥碟的周期性沖擊作用.因此在閥碟底部開槽有助于提高小升程調節閥的流動穩定性，改善閥座及擴壓段區域壁面附近的回流，并且降低閥碟產生周期性波動的可能性.

(a) 原型閥

(b) 閥碟上開槽

在對流動不穩定性改善情況進行理論分析的同時進行了壓損數據分析(見表5)，研究表明閥碟開槽后壓損較開槽前降低0.37%.

表5 球型調節閥底部開槽前后閥內壓力損失情況

3 結 論

(1) 在閥腔加裝270°節流擋板能使環形通道中的貼附閥碟流轉變為射流，閥碟橫向受力相對于原型閥減小92.4%.

(2) 入口管徑增大20%使得環形通道中迎風側流體貼附閥碟流動現象在減弱，閥座迎風側的漩渦在減小，相比于其他增大比例，此時閥碟受力最小，其中橫向受力減小約12%.

(3) 閥碟下表面開圓柱形槽使得射流撞擊位置偏向閥座中心，閥座迎風側大漩渦強度有所減弱，在槽內出現相比于空穴區較小的漩渦.

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FlowCharacteristicsandStructureOptimizationofaBall-typeControlValve

LUJingni,TUShan,WANGHongjuan,DUYang,HONGZhenhan
(School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

A numerical simulation model was established according to the entity of a ball-type control valve, so as to study the fluid flow in the valve under small lift conditions, and to optimize the valve structure on the basis of flow analysis. Results show that the flow pattern alters in the valve under small lift conditions, indicating in the form of high flow velocity and violent static pressure variation in the annular channel, low-speed and high static-pressure vortex area below the valve disc, as well as low-speed backflow zone near the wall of valve seat and diffuser section. The flow instability under small lift conditions can be improved by installing a 270° throttling damper in the valve chamber, increasing the diameter of inlet pipe to a certain extent, and cutting cylindrical slot on the lower surface of valve disc, etc. The lateral force imposed on valve disc drops to 0.08 times of its original after installing a 270° throttling damper, which would be reduced by about 12% once the diameter of inlet pipe is increased by 20%.

ball-type control valve; flow characteristic; structure optimization; numerical simulation

2016-11-04

2017-01-12

魯敬妮(1993-)，女，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向為熱力系統優化及復雜流動數值研究.

屠 珊(通信作者)，女，副教授，博士,電話(Tel.)：13609202731;E-mail：tushan@mail.xjtu.edu.cn.

1674-7607(2017)12-0963-06

TK26

A

470.30