王珊珊，費(fèi)民，陸佳銘

再熱器噴水調(diào)節(jié)閥迷宮片流場(chǎng)數(shù)值研究

王珊珊，費(fèi)民，陸佳銘

（中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海201316）

以再熱器噴水調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，采用UG三維軟件對(duì)五種迷宮片相互錯(cuò)疊組成的芯包建立三維流道模型，通過ANSYS12.0-ICEM與Fluent對(duì)不同開度工況進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明：閥門流通能力Cv計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比誤差在5%以內(nèi)，迷宮片VI中局部流速達(dá)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(diào)節(jié)閥；迷宮片；流場(chǎng)分析；數(shù)值模擬

再熱器噴水調(diào)節(jié)閥采用給水泵中間抽頭的給水作為介質(zhì)，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(diào)節(jié)精度要求高，密封要求嚴(yán)；閥門運(yùn)行方面，閥門要求調(diào)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(shí)閥門要求關(guān)閉性能特別好，防止泄漏，否則鍋爐溫度會(huì)下降，浪費(fèi)能源，增加發(fā)電的煤耗量。

迷宮式系列調(diào)節(jié)閥門的抗汽蝕設(shè)計(jì)是利用迷宮式芯包多級(jí)降壓的原理，通過強(qiáng)制介質(zhì)流經(jīng)一系列的直角彎道使流速得到完全的控制，達(dá)到逐級(jí)降壓的目的。無論壓降大小，這些彎道的阻力使得介質(zhì)流速流出芯包的速度受到限制。經(jīng)過多級(jí)降壓，使介質(zhì)的壓力始終維持在介質(zhì)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(duì)再熱器噴水調(diào)節(jié)閥在不同開度工況流場(chǎng)模擬計(jì)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(jìn)迷宮片結(jié)構(gòu)形式指明研究方向。

1 結(jié)構(gòu)與模型

1.1 芯包結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

再熱器噴水調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)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?yàn)樯线M(jìn)下出，采用迷宮式芯包。

為滿足其調(diào)節(jié)性能，芯包由20片迷宮片組成，分為5種迷宮片，根據(jù)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(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 再熱器噴水調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 迷宮式芯包示意圖

表1 迷宮片結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 物理模型與網(wǎng)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(jìn)口段、芯包和出口段，其中芯包部分分別對(duì)五種迷宮片建立三維機(jī)械模型和流道模型，各迷宮片相互錯(cuò)疊組成芯包，如圖4所示。

圖3 再熱器噴水調(diào)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(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的混合網(wǎng)格，最小網(wǎng)格質(zhì)量為0.35高計(jì)算精度，并節(jié)省了計(jì)算時(shí)間[4]。其中，進(jìn)口段采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最小網(wǎng)格質(zhì)量0.35，芯包和出口端采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，芯包部分最小網(wǎng)格質(zhì)量0.85，出口端最小網(wǎng)格質(zhì)量0.6，以VI型迷宮片網(wǎng)格為例，如圖5所示。

圖5 VI型迷宮片網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算方法與邊界條件

使用ANSYS12.0-Fluent作為流場(chǎng)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(jìn)口條件為壓力進(jìn)口，根據(jù)不同閥門開度計(jì)算得出質(zhì)量流量和閥門流通能力CV值，即

其中，Kv為流量系數(shù)，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(zhì)物理狀態(tài)

2.2 迷宮片內(nèi)部流動(dòng)特性

分別對(duì)開度為30%、65%、100%的3種工況進(jìn)行模擬。以65%開度為例，進(jìn)口壓力取12.5 MPa，出口壓力取7 MPa，壓差5.5 MPa，計(jì)算得出質(zhì)量流量為57.8 t/h，采用y=0截面分析閥門內(nèi)部流場(chǎng)，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(dòng)，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(nèi)部流場(chǎng)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(jì)算結(jié)果表明，閥門壓降主要產(chǎn)生在芯包區(qū)域，進(jìn)口段和出口段的壓降很小，相對(duì)于芯包壓降可忽略，最高流速產(chǎn)生在芯包最上層的迷宮盤VI中，局部流速達(dá)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(chǎn)生在流道出口處，流體流出迷宮片后在閥體內(nèi)產(chǎn)生較大漩渦，使閥體內(nèi)部總壓最低。

2.3 數(shù)值分析與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

表3為該再熱器噴水調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表4為本文計(jì)算所得數(shù)據(jù)。通過本文式（1）與式（2）計(jì)算閥門流動(dòng)能力Cv值。結(jié)果表明，再熱器噴水調(diào)節(jié)閥出口質(zhì)量流量與流動(dòng)能力Cv值的計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大誤差均在5%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 設(shè)計(jì)工況下再熱器噴水調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 設(shè)計(jì)工況再熱器噴水調(diào)節(jié)閥模擬數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）本文分別建立閥門開度為30%、65%、100%的整體場(chǎng)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(chǎng)分布。計(jì)算閥門出口質(zhì)量流量與流動(dòng)能力Cv值，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，誤差在5%以內(nèi)。

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

（3）不同閥門開度最高流速產(chǎn)生在65%開度芯包最上層的迷宮盤VI中，局部流速達(dá)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(jìn)迷宮片結(jié)構(gòu)形式指明研究方向。

[1]陸培文.閥門設(shè)計(jì)入門與精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]吳持恭.水力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]費(fèi)祥麟，胡慶康，景思睿.高等流體力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[4]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[5]劉曄，朱曉林，王有鏜.球閥流場(chǎng)的數(shù)值模擬與分析[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，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(jī)械。