給水泵最小流量閥盤片結構防空化性能對比

諶傳江，蔣永兵，顏炳良，邵 杰，張 賢，騫宏偉

（1.重慶川儀調節閥有限公司，重慶 400707；2.國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095）

0 引言

在電廠高壓供水系統中，最小流量閥是運行工況最惡劣的調節閥之一[1]。目前，針對調節閥可以有效防止閥內產生空化、汽蝕和振動噪音方面的問題，國外一些制造廠商，如美國CCI 公司已經研發并制造出了可以滿足要求的特殊調節閥，其在高溫、高壓及高壓差的復雜惡劣條件下，能夠有效抑制閃蒸、空化和汽蝕現象，因此在技術方面國外一直處于領先地位[2]。

最小流量閥因其使用工況惡劣，其節流副應能通過控制流道面積和節流級數而控制介質流速，以及提高節流副阻力系數，達到減小流體在閥門流道中產生汽蝕的可能性[3]。

圖2 4種不同形式的迷宮槽式節流盤片Fig.2 Four different forms of labyrinth disc structure

目前，學者對最小流量調節閥進行了大流量的研究。史文玎通過對給水泵最小流量閥改造前后的數值模擬，研究介質在閥罩中的流速，通過壓力分布情況比較，得到環形流道閥罩比HUSH 形閥罩內壓力徑向分布均勻，更不容易發生汽蝕的結論[4]。宋忠榮等對最小流量調節閥內部流場及流量的特性進行模擬，通過控制流道面積和節流級數而控制介質流速，分析流道的節流降壓特性，得到提高節流副阻力系數可達到減小流體在閥門流道中產生汽蝕的可能性的結論[3]。侯璐瑤通過高壓差調節閥內部流體流動規律，多孔式的閥門內件，開放兩排半孔時，流體速度控制在9m/s 以內，開放一排孔時，流體速度控制在3.75m/s 以內，可避免汽蝕的發生[5]。Satoshi Yuzawa and Takumi Hashizume等采用實驗與仿真相結合的方式，研究了給定壓差的調節閥在流體流動中閥塞產生氣蝕情況下的使用年限，從能量虧損和工作時間的角度分析了汽蝕現象對調節閥使用年限的影響[6]。W S Qu 等用數值仿真模擬機實驗相結合的方式，對調節閥在不同開度下相同參數工況流道內的空化特性進行分析與研究，對調節閥空化特性進行仿真分析[7]。

雖然國內外學者對最小流量閥的研究較多，但對于具體閥門結構尺寸下存在怎樣的空化范圍的研究較少。為了探究同種外徑尺寸、同種流通能力情況下何種形式的迷宮槽結構防空化效果更好，本文以3 種不同的迷宮槽式節流板為研究對象，通過仿真模擬的方式，對迷宮槽內空化的具體分布做了探究。

圖1 最小流量閥閥體部件圖Fig.1 The general view of feedwater pump recirculation valve

1 結構設計

根據迷宮閥門內件的尺寸，以及閥門所需流通能力的大小，建立閥門零部件的三維模型。在同種外徑尺寸且流通能力相同的情況下，可設計出不同形式的迷宮節流板尺寸。本次研究以圖2 中的4 種迷宮節流板為對象，對其在同種工況條件下做空化模擬測試，并比較其模擬結果。

圖3 多級降壓防空化原理Fig.3 The principle of multistage depressurization on preventing cavitation

2 控制空化的原理

2.1 空化的產生

當壓力為P1的液體流經節流孔時，流速突然急劇增加，而靜壓力驟然下降。當孔后壓力P2達到或者低于該流體所在情況的飽和蒸汽壓力Pv時，部分液體就汽化成為氣體，形成氣液兩相共存的現象，這種現象稱為閃蒸。如果產生閃蒸之后，P2不是保持在飽和蒸汽壓以下，在離開節流孔之后又急驟上升，這時氣泡產生破裂并轉化為液態，這個過程即為空化作用[8]。

2.2 多級降壓防空化原理

如圖3 所示，根據CCI 迷宮式多級降壓防空化的原理，采用多級降壓的閥門內件，使單級節流的壓差更小，可有效降低節流組件內介質的流速，保證介質在迷宮槽出口處的動能較小，避免介質在節流組件中發生空化，減少閥門的汽蝕。

3 空化模擬研究結果

目前，歐拉-拉格朗日方法和歐拉方法較多的應用于研究多相流。在Fluent 中，共有3 種歐拉-歐拉多相流模型，即VOF（Volume Of Fluid）模型、混合物（Mixture）模型和歐拉（Eulerian）模型。本文以ANSYS Flunet 作為仿真模擬的軟件，選用混合物模型作為空化模擬的模型。

對于同種外徑且流通能力一致的迷宮節流板，為滿足防空化的要求，設計出4 種不同結構形式的節流迷宮槽。選擇較為惡劣的工況對其做真實的模擬，介質為溫度115℃水，閥前壓力P1=8.84MPa，閥后壓力P2=0.176MPa，飽和蒸汽壓力Pv=0.169MPa。模擬結果如圖4 ～圖6 所示。 根據Fluent 模擬結果，統計結果見表1。

圖4 壓力分布云圖Fig.4 Contours of static pressure

圖5 速度分布云圖Fig.5 Contours of velocity magnitude

表1 Fluent模擬結果Table 1 Fluent simulation results

4 結論

假定流體介質90°轉角為一級，可得到以下結論：

1）對比方案一與方案三的模擬，同樣級數和流通能力的迷宮盤片，對沖分流式結構防空化效果更好。

2）對比方案一與方案二、方案三與方案四的模擬結果，介質由內向外流動的結構比由外向內流動的結構的防空化效果更好。

因此，在此種工況下，若無其他特殊要求，迷宮盤片設計成由內向外擴張且介質對沖式結構，對防止空化的產生是有較好效果的。

圖6 汽相體積組分分布云圖Fig.6 Contours of volume fraction