李連翠， 王周杰， 張 含， 龔勝泉， 劉春玲

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司，上海 200240)

調(diào)節(jié)閥是過程工業(yè)(如電力、能源和石油化工等行業(yè))裝備中必不可少的一種調(diào)節(jié)流量和壓力的設(shè)備，且隨著過程工業(yè)向高參數(shù)、大型化、高要求方向發(fā)展，與之配套的調(diào)節(jié)閥也向高參數(shù)、大型化、高可靠性等方向發(fā)展。核電站系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥亦是如此，高壓差、高流速工況下閥門容易發(fā)生空化，從而對閥門的關(guān)鍵部件造成損傷，最終導致閥門密封失效或者調(diào)節(jié)功能失真，同時還會產(chǎn)生很大的噪聲和振動，甚至嚴重影響與閥門相連接的管道的使用壽命。因此，調(diào)節(jié)閥抗空化設(shè)計一直是核電站閥門國產(chǎn)化進程中的難點[1]。

學者及工程技術(shù)人員常用工程經(jīng)驗、試驗或者數(shù)值模擬的方法來研究調(diào)節(jié)閥內(nèi)部空化原理及危害，并對閥門進行了相應(yīng)的改進[2-9]，以提高調(diào)節(jié)閥的抗空化能力，進而提高閥門的調(diào)節(jié)精度和使用壽命。在多數(shù)工況下，閥門內(nèi)部空化很難完全避免。目前大部分的防空化研究成果能夠有效地減少空化的總量，但不一定能夠避免或者減輕空化對閥門關(guān)鍵部位(如密封面和套筒調(diào)節(jié)閥窗口等)的空化損傷。

筆者以某核電站調(diào)節(jié)閥為研究對象，采用CFX軟件對該閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的空化情況進行數(shù)值研究，重點對比分析了結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后空化位置轉(zhuǎn)移的情況以及閥門關(guān)鍵部位的空化率變化情況。

1 空化原理

液體流經(jīng)閥門等節(jié)流元件時，由于流道節(jié)流作用，流體介質(zhì)速度增大的同時靜壓降低。當靜壓低于介質(zhì)的飽和蒸汽壓pv時，介質(zhì)開始汽化，形成空泡；靜壓回升至pv后，空泡發(fā)生潰滅，這就是空化現(xiàn)象?？栈粌H損壞閥門本體，還會產(chǎn)生噪聲，引起設(shè)備振動。在高參數(shù)閥門的實際工程應(yīng)用中，最常見的防空化方法就是多級降壓，利用多級節(jié)流降壓元件來逐級降低壓力，使介質(zhì)靜壓盡可能地高于飽和蒸汽壓pv，從而徹底消除或減弱空化現(xiàn)象(見圖1，其中p1、p2為閥前和閥后壓力，v1、v2為閥前和閥后水的速度)[1]。國內(nèi)外常見的閥內(nèi)多級節(jié)流元件包括多級套筒結(jié)構(gòu)、多級閥芯結(jié)構(gòu)和迷宮式結(jié)構(gòu)3種[9]。

圖1 單級、多級降壓示意圖

2 計算模型建立

2.1 控制方程

2.1.1 流體控制方程

流體的流動過程遵循相應(yīng)的控制方程，即連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。數(shù)值模擬建立在以上流體力學基本控制方程的基礎(chǔ)上，使用CFX 軟件求解流場內(nèi)的離散解。為了方便采用同一程序?qū)Ω骺刂品匠踢M行求解，以上控制方程可用如下的通用形式表示：

(1)

式中：t為時間；ρ為流體密度；φ為通用變量；u為速度或溫度等；Γφ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。

2.1.2 空化模型

根據(jù)混合規(guī)則，水和水蒸氣的混合密度公式為：

(2)

式中：φ為蒸汽體積分數(shù)，可由連續(xù)性方程式(3)求解；ρm為混合密度；ρg為水蒸氣密度；ρl為水的密度。

(3)

式中：V為混合流體的速度矢量；Γ為擴散系數(shù)；參數(shù)M可以由Rayleigh-Plesset空化模型(方程式(4))求解得到。

sgn(pv-p)

(4)

2.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

針對核電站中某型號調(diào)節(jié)閥最高運行參數(shù)工況的空化進行模擬研究，并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的對照分析。為計算方便、節(jié)省計算時間，在不影響計算結(jié)果的前提下，對從3D模型中抽取的流道合理簡化以適應(yīng)數(shù)值模擬；為增加計算的穩(wěn)定性，在幾何模型的進出口分別增加適當長度的直管段；考慮到抽取流道結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，閥體流道腔內(nèi)都采用四面體網(wǎng)格；為了保證計算的網(wǎng)格無關(guān)性和計算精度，在套筒開孔、閥座開孔和密封面等局部尺寸較小或者尺寸變化劇烈的地方進行網(wǎng)格加密處理。從表1可以看出，與網(wǎng)格數(shù)850萬的算例相比，當網(wǎng)格數(shù)為1 606萬時，閥門流道內(nèi)空化率相差0.42%(<1%)，可以認為網(wǎng)格數(shù)為850萬時已經(jīng)實現(xiàn)網(wǎng)格無關(guān)性求解，最小網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。進出口延長管道結(jié)構(gòu)簡單，所以被劃分成六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，2種類型的網(wǎng)格通過Interface進行連接，這樣既能保證網(wǎng)格質(zhì)量，又能有效降低網(wǎng)格數(shù)，提升計算速度。最終確定網(wǎng)格數(shù)為850萬。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性計算結(jié)果

2.3 基本假設(shè)與邊界條件

閥門進出口直徑均為282 mm。閥門最高運行參數(shù)工況如下：進口絕對壓力為8.82 MPa，出口絕對壓力為0.21 MPa，入口介質(zhì)質(zhì)量流量為444.44 kg/s，介質(zhì)溫度為121 ℃，此溫度下水的飽和蒸汽壓為0.204 85 MPa。根據(jù)閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流動特點可知，進口處的雷諾數(shù)最小。把閥門進口直徑、介質(zhì)物性參數(shù)和流量參數(shù)代入雷諾數(shù)計算公式，計算得到最小雷諾數(shù)Remin=8.6×106，因此閥門流道內(nèi)部介質(zhì)流動皆為湍流。

計算中采用的空化模型為Rayleigh-Plesset空化模型。為了能夠以較小的計算代價保證較高的計算精度，湍流模型采用k-ε湍流模型[10]，可使得介質(zhì)的空化流方程組封閉。為了考慮焓和湍動能對流場的影響，本文中的算例選用Total Energy模型作為換熱模型。網(wǎng)格、交界面以及邊界條件見圖2。

圖2 網(wǎng)格、交界面以及邊界條件

IAPWS-Library數(shù)據(jù)庫包含了動力黏度、導熱系數(shù)和表面張力等比較完整的參數(shù)計算公式和選擇依據(jù)。根據(jù)IAPWS-Library數(shù)據(jù)庫可準確獲得該狀態(tài)下水或水蒸氣的物性參數(shù)，使得調(diào)節(jié)閥內(nèi)水蒸氣流動的CFD計算更加準確。筆者采用的CFX商用軟件集成了IAPWS-Library數(shù)據(jù)庫，介質(zhì)水的所有空化模擬參數(shù)均直接從該數(shù)據(jù)庫選取，可靠省時[11]。

3 數(shù)值計算結(jié)果與分析

選取2個典型截面來分析閥門的流場或空化情況(見圖3)。因為套筒開口并不是嚴格的軸對稱結(jié)構(gòu)，所以該處的閥體對稱面稱為中軸面；閥芯密封線所在的橫截面稱為截面1。

圖3 截面位置示意圖

3.1 原始設(shè)計閥門結(jié)構(gòu)的空化流動分析

調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場如圖4所示。由圖4(a)可知，進口端的高壓介質(zhì)流經(jīng)套筒節(jié)流孔后，壓力急速降低，之后隨著介質(zhì)速度的降低，壓力有所升高。而在流經(jīng)閥座小孔后，壓力再次明顯降低，即壓力較低的區(qū)域主要集中在閥門節(jié)流套筒出口及閥體腔的下半部。水在流經(jīng)這2個區(qū)域時壓力低于其飽和蒸汽壓pv，因此空化區(qū)域也主要集中在這2個區(qū)域，局部空化的水蒸氣體積分數(shù)達到99%以上(見圖4(b))。通過對計算結(jié)果處理后可知，整個閥門流道內(nèi)的水蒸氣總體積分數(shù)達到18.87%?？栈瘜﹂y門的損傷主要發(fā)生在上述2個區(qū)域。如圖4(c)和圖4(d)所示，閥芯密封線附近出現(xiàn)了比較嚴重的空化現(xiàn)象(局部空化的水蒸氣體積分數(shù)達到95%以上)，這會加速閥門密封面的損傷，降低閥門的密封性能及縮短閥門的使用壽命。

(a)中軸面壓力分布

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

當閥門出口壓力與介質(zhì)飽和蒸汽壓pv非常接近時，在介質(zhì)快速流動過程中，閥門內(nèi)部的空化現(xiàn)象很難避免。目前對閥門關(guān)鍵部位的防空化作用研究相對較少，筆者針對某核電站調(diào)節(jié)閥內(nèi)不可避免的空化問題進行模擬分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出了雙層閥座結(jié)構(gòu)，改變了空化發(fā)生的位置，有效降低閥芯密封線附近和套筒開口部位的空化率，把發(fā)生空化的區(qū)域從關(guān)鍵零部件部位轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵零部件部位或者減弱關(guān)鍵零部件部位的空化程度，從而有效地保護關(guān)鍵部件，使其免受或減弱空化損傷。

本文所研究閥門的出口壓力與水的飽和蒸汽壓pv非常接近，閥門內(nèi)部空化現(xiàn)象很難避免。基于以上數(shù)值計算和理論分析，筆者在籠式閥座外側(cè)增加1層籠罩(見圖5)，2層籠罩底部通過焊接固定相對位置(見圖6)，通過多級降壓原理可以降低閥門流道內(nèi)的空化率；把籠罩加在籠式閥座外側(cè)，還可使套筒出口位置的壓力有所升高，從而降低閥芯密封線位置的空化率。

圖5 優(yōu)化前后的閥座結(jié)構(gòu)對比

圖6 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系示意圖

籠罩與籠式閥座的開孔率及其環(huán)向分布規(guī)律均相同，且都遠大于套筒開孔率。在研究過程中分別計算了籠式閥座小孔與籠罩小孔正對布置(記為Case1)和錯位布置(記為Case2)2種情況流道內(nèi)水蒸氣總體積分數(shù)分布(見圖7和圖8)。

進一步分析3種模型在流道內(nèi)不同位置的水蒸氣體積分數(shù)(見表2)。與原始模型相比：Case1和Case2流道內(nèi)水蒸氣總體積分數(shù)分別減小了38.31%和1.8%；Case1和Case2中軸面水蒸氣體積分數(shù)分別減小了46.05%和11.62%；Case1和Case2截面1水蒸氣體積分數(shù)分別減小了15.75%和28.43%。

表2 不同模型在不同位置的水蒸氣體積分數(shù)

相較于原始模型，優(yōu)化后閥門空化程度明顯改善，然而Case2流道內(nèi)水蒸氣總體積分數(shù)比Case1流道內(nèi)水蒸氣總體積分數(shù)高36.51%，Case2閥芯密封線所在橫截面(即截面1)處的空化率卻比Case1相同位置的空化率低12.68%。這相當于部分空化量從關(guān)鍵的閥芯密封線附近向籠罩閥座處轉(zhuǎn)移(見圖4、圖7和圖8)，這是由于Case2的籠罩小孔與籠式閥座小孔錯位布置，與Case1相比相當于多了一級降壓結(jié)構(gòu)。在總壓降不變的情況下，Case2在籠式閥座部位的壓降更大，閥芯密封線位置壓力相對較高，因而空化率較低。

(a)中軸面水蒸氣體積分數(shù)分布

(a)中軸面水蒸氣體積分數(shù)分布

由于優(yōu)化后閥門內(nèi)部空化率明顯降低，即使閥門的壓降級數(shù)有所增加，閥門在實際工況下的流通能力卻有所增強(見表3)。

表3 不同模型閥門在實際工況下的流通能力

4 結(jié) 論

(1)空化區(qū)域主要集中在閥門節(jié)流套筒出口及閥體腔的下半部，閥門節(jié)流套筒出口位置的空化對閥芯密封面的損傷較大。

(2)對閥門原始模型與2種優(yōu)化模型(籠式閥座小孔與籠罩小孔正對布置(Case1)和錯位布置(Case2))的仿真計算表明，相較于原始模型，優(yōu)化后閥門空化程度明顯改善。

(3)雖然籠式閥座小孔與籠罩小孔正對布置結(jié)構(gòu)的閥門的整體抗空化能力最好，但是小孔錯位布置的結(jié)構(gòu)對閥芯密封線的保護作用最好。