杜大喜，胡慶斌，王 軍

（1.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176；2.國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制油分公司，鄂爾多斯 017200）

0 引言

超高溫氣體調(diào)節(jié)閥廣泛應(yīng)用在風(fēng)洞試驗(yàn)、金屬冶煉、煤化工、石油化工等領(lǐng)域的流體介質(zhì)控制工況中[1-9]，特別是在可能含固含雜質(zhì)的高速氣流中，閥門(mén)的選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)閥門(mén)壽命和下游設(shè)備的使用性能具有重要影響。PRYADKO等[10-11]在20世紀(jì)70年代開(kāi)始對(duì)冶煉用超高溫閥門(mén)的長(zhǎng)壽命和冷卻性能進(jìn)行了研究，指出閥門(mén)的耐用性主要取決于密封面附近的材料溫度梯度，并在80年代采用半導(dǎo)體和集成電路進(jìn)行了傳熱模擬分析。WEIDENMUELLER等[12]指出了現(xiàn)代閘閥在熱風(fēng)爐上的良好應(yīng)用；ANON等[13-14]研制了陶瓷材料熱風(fēng)閥，并分析了水冷結(jié)構(gòu)的影響；SEEGER等[15]設(shè)計(jì)了空氣冷卻熱風(fēng)閥；MARCHENKO等[16-17]進(jìn)行了熱風(fēng)閥混凝土襯里材料研究并取得良好效果；BITYURIN等[18]對(duì)比了空氣冷卻和水冷卻的優(yōu)劣，認(rèn)為空冷結(jié)構(gòu)效果更好。

國(guó)內(nèi)早期劉兆宏[2]對(duì)熱風(fēng)閥閥門(mén)水冷圈破損問(wèn)題進(jìn)行了分析和改進(jìn)，胡獻(xiàn)余[3]也對(duì)熱風(fēng)閥閘板壽命短問(wèn)題進(jìn)行了研究。趙麗等[19]對(duì)熱風(fēng)閥水冷卻、耐火襯里、密封和閥板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。常麗君等[20-22]對(duì)熱風(fēng)閥閥體冷卻腔結(jié)構(gòu)、閥板熱疲勞失效等進(jìn)行了分析，最終提高了閥板及閥門(mén)整體使用壽命。俞樹(shù)榮等[23]對(duì)不同冷卻水流量下特定矩形槽閥座的換熱性能進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，確定了最佳換熱性能時(shí)冷卻水流量與槽道尺寸的關(guān)系。楊榮水等[24]介紹了超超高溫氣動(dòng)角式截止閥的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其產(chǎn)品性能，分析了閥體、閥蓋及閥桿導(dǎo)套的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作過(guò)程。

采用數(shù)值計(jì)算法進(jìn)行熱流固多物理場(chǎng)耦合，可對(duì)閥門(mén)的流體流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多種參數(shù)進(jìn)行模擬分析，從而得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)[25-26]。張希恒等[27]利用數(shù)值模擬分析了水冷式熱風(fēng)閥閥桿在高溫高壓空氣沖擊下的應(yīng)力分析情況。王鵬等[1]對(duì)風(fēng)洞用高參數(shù)熱風(fēng)閥進(jìn)行了多物理場(chǎng)耦合數(shù)值分析，評(píng)估了閥內(nèi)空氣流速、閥座表面溫度、閥體應(yīng)力等結(jié)果。劉建瑞等[28]對(duì)高溫高壓核電閘閥閥體進(jìn)行了熱流固耦合計(jì)算，分析了閥內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)溫度分布以及應(yīng)力分布的影響。劉杰[29]利用有限元分析驗(yàn)證了高爐熱風(fēng)閥設(shè)計(jì)的合理性，并據(jù)此進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。王勇等[30]采用熱流固耦合對(duì)不同的葉片進(jìn)行了強(qiáng)度校核分析。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超高溫氣體調(diào)節(jié)閥研究已經(jīng)比較深入，理論和仿真方法較為成熟。然而傳統(tǒng)超高溫氣體調(diào)節(jié)閥一般為蝶閥或閘閥，可調(diào)比范圍小，特別是在小開(kāi)度情況下密封面磨損較為嚴(yán)重，無(wú)法滿足長(zhǎng)壽命的生產(chǎn)需求。本文設(shè)計(jì)了一種夾套式水冷結(jié)構(gòu)的凸輪撓曲調(diào)節(jié)閥，并根據(jù)設(shè)計(jì)條件采用熱流固耦合對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)、閥體溫度、閥體應(yīng)力進(jìn)行了校核分析。同時(shí)評(píng)估了高溫空氣介質(zhì)溫度突變對(duì)閥體的冷熱沖擊影響，以及冷卻水量對(duì)閥體溫度分布的影響。

1 閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真設(shè)置

1.1 閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某超高溫風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，超高溫空氣需經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流控制實(shí)現(xiàn)流量大小的調(diào)節(jié)。當(dāng)超高溫空氣流經(jīng)閥體時(shí)，使閥體承受著高溫差帶來(lái)的熱應(yīng)力不均作用，若設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致閥體變形、閥門(mén)卡澀、介質(zhì)泄漏等問(wèn)題，嚴(yán)重影響著該風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。如圖1所示，超高溫用夾套式凸輪撓曲調(diào)節(jié)閥由閥體、閥座組件、閥芯組件、閥桿組件、整流器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。如圖2所示，閥體內(nèi)裝有一個(gè)C型球面閥芯，且球面閥芯中心線與轉(zhuǎn)軸中心線偏心，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)閥桿將扭矩傳遞至閥芯，閥芯組件呈凸輪狀旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的調(diào)節(jié)和密封。這種閥門(mén)結(jié)構(gòu)與球閥、蝶閥相比，閥芯閥座僅在關(guān)斷時(shí)接觸，摩擦少、內(nèi)件使用壽命長(zhǎng)，不用擔(dān)心閥座處異物卡澀；相比于直動(dòng)式套筒式/單座式調(diào)節(jié)閥或平板開(kāi)孔式閘閥/滑閥僅有30：1到50：1的可調(diào)比，閥門(mén)可調(diào)比可達(dá)100：1，調(diào)節(jié)精度高；閥門(mén)固有流量特性近似線性，流量調(diào)節(jié)平穩(wěn)。

圖1 超高溫凸輪撓曲調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic structural diagram of ultra-high temperature eccentric cam deflection regulating valve

圖2 凸輪撓曲調(diào)節(jié)閥工作原理示意Fig.2 Schematic diagram of eccentric cam deflection regulating valve

該閥門(mén)采用夾套式水冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行降溫，能量以熱對(duì)流及熱傳導(dǎo)的形式依次通過(guò)高溫空氣、閥體、冷卻水、夾套向外轉(zhuǎn)移。由于閥體內(nèi)空氣流場(chǎng)分布的差異，閥體各部位換熱程度不同，從而引起溫差熱應(yīng)力，因而閥體的校核分析是流動(dòng)、傳熱及應(yīng)力等物理場(chǎng)耦合的結(jié)果。

1.2 仿真設(shè)置

數(shù)值分析中準(zhǔn)確計(jì)算流動(dòng)狀態(tài)及合理處理邊界層傳熱是關(guān)鍵。根據(jù)ANSYS計(jì)算模型可將該閥門(mén)劃分為高溫空氣、閥體、冷卻水、夾套、環(huán)境大氣5個(gè)區(qū)域。其中，高溫空氣和冷卻水為流體計(jì)算區(qū)域，單獨(dú)計(jì)算流場(chǎng)及溫度分布。換熱計(jì)算中，高溫空氣與閥體內(nèi)壁接觸，閥體外壁與冷卻水內(nèi)側(cè)接觸，冷卻水外側(cè)與夾套內(nèi)壁接觸，夾套外壁與環(huán)境大氣接觸。為了便于計(jì)算，夾套外壁與環(huán)境大氣加載第3類(lèi)邊界條件，即給定對(duì)流換熱系數(shù)及環(huán)境溫度。具體來(lái)說(shuō)，采用ANSYS的Fluid Flow、Steady-State Thermal、Static Structural等 3個(gè)模塊的耦合：Fluid Flow計(jì)算流體流速及溫度分布；Steady-State Thermal模塊將所有壁面溫度從Fluid Flow耦合導(dǎo)出并生成體溫度分布；Static Structural模塊從Steady-State Thermal模塊導(dǎo)入體溫度分布，并進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變校核分析。

高溫空氣入口溫度分為450，1 000，1 320 K 3種工況，本文主要以1 320 K為例；入口質(zhì)量流量30 kg/s，出口壓力700 kPaA。冷卻水入口溫度303 K，入口壓力3.5 MPaA，出口壓力可調(diào)，文中出口壓力以3.0 MPaA為例。夾套外壁自然對(duì)流換熱系數(shù)取16.3 W/（m2·K），環(huán)境溫度取303 K。閥體及夾套材料為316 H，閥座材料為Inconel 718，材料屬性見(jiàn)表1。

表1 材料屬性Tab.1 Material properties

由于該系統(tǒng)工況比較復(fù)雜，既要考慮突然由450 K中溫工況轉(zhuǎn)為1 000 K高溫工況來(lái)流的溫度沖擊，也需要考慮突然由1 320 K高溫工況轉(zhuǎn)為450 K中溫工況來(lái)流的溫度沖擊。另外，考慮到高溫工況管道熱膨脹以及管道安裝過(guò)程中形成的初始應(yīng)力等因素，給定了沿管道軸向的拉/壓應(yīng)力。應(yīng)力計(jì)算中靜載荷邊界條件見(jiàn)表2。

表2 靜載荷邊界條件Tab.2 Static load boundary conditions

采用基于壓力的求解器，穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，求解方法為PISO，差分格式均為二階迎風(fēng)格式，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。介質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)空氣介質(zhì)，邊界條件為質(zhì)量入口/壓力出口，流場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)格數(shù)約為265萬(wàn)，固體區(qū)域網(wǎng)格數(shù)約為91萬(wàn)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 介質(zhì)溫度分析

采用入口受-25 kN軸向壓力、出口固支的邊界條件進(jìn)行了仿真分析。流體介質(zhì)速度分布如圖3（a）所示，由于閥座處出現(xiàn)縮徑，流速有所增加，閥體內(nèi)高溫空氣平均流速接近550 m/s，局部流速超過(guò)600 m/s。此處需要通過(guò)提高閥座材料性能或改進(jìn)結(jié)構(gòu)的方式重點(diǎn)提升閥座強(qiáng)度。閥體與夾套間冷卻水平均速度基本在50 m/s以內(nèi)。流體介質(zhì)溫度分布如圖3（b）所示，高溫空氣的流場(chǎng)中心溫度可以認(rèn)為基本不變，邊緣溫度在1 000 K左右，設(shè)定高溫空氣入口平均溫度為1 320 K，計(jì)算得到高溫空氣出口平均溫度為1 305 K，溫度降在1.5%以內(nèi)。閥體溫度分布如圖3（c）所示，閥體內(nèi)壁平均溫度為351～371 K，閥體外壁平均溫度為306～308 K。閥座內(nèi)壁平均溫度為726～746 K，閥座外壁平均溫度為329～344 K。因此，需要提高閥座的散熱性能，進(jìn)一步降低溫度。閥體應(yīng)力分布如圖3（d）所示，總體最大應(yīng)力在閥座內(nèi)壁，其中閥體內(nèi)壁局部最大應(yīng)力在100 MPa左右；閥座內(nèi)壁多數(shù)在90～130 MPa之間，少數(shù)區(qū)域達(dá)到200 MPa以上，但仍在材料的屈服強(qiáng)度之內(nèi)。通過(guò)以上結(jié)果對(duì)比可知，無(wú)論是溫度還是應(yīng)力場(chǎng)，閥座區(qū)域是最苛刻的，需要進(jìn)行重點(diǎn)校核并加以特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)。不可忽略地，圖3（c）和（d）中出現(xiàn)的局部溫度或應(yīng)力過(guò)高的情況，這是因?yàn)殚y體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)銳邊和流道流線斷續(xù)等不規(guī)則結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致?lián)Q熱計(jì)算中邊界層破壞并出現(xiàn)奇異點(diǎn)。后續(xù)可以通過(guò)優(yōu)化倒角和流道流線特性，進(jìn)一步改善流場(chǎng)溫度分布和閥體應(yīng)力分布。

圖3 流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及應(yīng)力分布情況（入口軸向力-25 kN，出口固支，介質(zhì)溫度1 320 K）Fig.3 Flow field，temperature field and stress distribution（inlet axial force F=-25 kN，outlet fixed support，air temperature T=1 320 K）

2.2 軸向力的影響

入口面不受軸向力、軸向拉力25 kN、軸向拉力-25 kN等3種邊界條件的仿真結(jié)果如圖4所示，通過(guò)分別對(duì)比分析可知由于閥體剛度較高，軸向力引起的最大應(yīng)力變化在1 MPa以內(nèi)，相比之下溫度引起的熱應(yīng)力在90～160 MPa之間，因此，條件中25 kN軸向力的影響可以忽略。

圖4 不同軸向載荷下閥體的應(yīng)力分布云圖（介質(zhì)溫度1 320 K）Fig.4 Stress distribution nephogram of valve body at different axial load（air temperature T=1 320 K）

2.3 溫度沖擊分析

溫度突變對(duì)閥體的影響，一是高溫空氣溫度突升帶來(lái)的熱沖擊，初始溫度為450 K，當(dāng)計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，閥體內(nèi)壁施加1 000 K的瞬間溫度載荷。二是高溫空氣溫度突降帶來(lái)的冷沖擊，初始溫度為1 320 K，當(dāng)計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，閥體內(nèi)壁施加450 K的瞬間溫度載荷。

2.3.1 熱沖擊的影響

如圖5所示，當(dāng)高溫空氣溫度由450 K瞬間升至1 000 K時(shí)，閥體內(nèi)壁平均溫度由321 K上升至355 K左右、閥座內(nèi)壁平均溫度由324 K上升至370 K左右，同時(shí)最大應(yīng)力由140 MPa上升至160 MPa，但仍在應(yīng)力許可范圍內(nèi)。

圖5 熱沖擊的影響Fig.5 Effect of thermal shock on valve

2.3.2 冷沖擊的影響

如圖6所示，當(dāng)高溫空氣溫度由1 320 K瞬間降至450 K時(shí)，閥體內(nèi)壁局部最高溫度由665 K下降至590 K左右、閥座內(nèi)壁局部最高溫度由763 K下降至690 K左右，同時(shí)最大應(yīng)力由180 MPa下降至150 MPa，應(yīng)力情況有所改善。

圖6 冷沖擊的影響Fig.6 Effect of cold shock on valve

2.4 冷卻水流量的影響

為了分析冷卻水流量對(duì)冷卻效果的影響，設(shè)定冷卻水入口壓力3.5 MPaA不變，調(diào)整出口壓力在0.1～3.5 MPaA范圍內(nèi)變化，且不因受熱發(fā)生閃蒸氣化。

經(jīng)初步分析，1 320 K工況下冷卻水出口壓力在3.0 MPa A下基本滿足使用需求，冷卻水流量小于5×104kg/h。此時(shí)，閥座外壁與冷卻水接觸，該壁面平均溫度均在473 K（200 ℃）以下，473 K時(shí)水的飽和蒸氣壓為1.55 MPaA，閥體冷卻水實(shí)際壓力約為3.0～3.5 MPaA，因此基本不會(huì)出現(xiàn)氣化并產(chǎn)生阻塞流從而影響換熱效率。冷卻水出口平均溫度在305～314 K之間。由于夾套與冷卻水接觸，因此閥體夾套外壁平均溫度應(yīng)不超過(guò)314 K。

此外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[23]，采用簡(jiǎn)化圓柱結(jié)構(gòu)對(duì)承受高溫沖擊的閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了冷卻水流量估算。閥座內(nèi)壁、閥座外壁平均溫度隨冷卻水量的變化情況分別如圖7所示。與仿真結(jié)果相符，冷卻水供水5×104kg/h以上時(shí)即可保證閥座內(nèi)壁溫度在800 K以下。閥座內(nèi)壁平均溫度均在743～783 K，閥座外壁平均溫度在397～473 K之間。

圖7 冷卻水量對(duì)閥體平均溫度的影響Fig.7 Effect of cooling water volume on average temperature of valve body

3 結(jié)論

（1）流場(chǎng)與溫度場(chǎng)計(jì)算表明，閥體夾套外壁溫度不超過(guò)314 K（41 ℃），閥座外壁平均溫度473 K（200 ℃），能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）高溫空氣溫度變化引起的熱應(yīng)力占主導(dǎo)作用，閥門(mén)進(jìn)出口兩側(cè)的軸向靜載荷對(duì)閥門(mén)應(yīng)力影響可以忽略。

（3）高溫空氣的溫度突增導(dǎo)致的熱沖擊會(huì)引起閥體熱應(yīng)力和溫度增加，高溫空氣的溫度突降導(dǎo)致的冷沖擊會(huì)引起閥體熱應(yīng)力和溫度降低，二者的影響程度并不是很明顯。

（4）冷卻水供水5×104kg/h以上時(shí)即可保證閥體及各部件滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求，同時(shí)閥體內(nèi)壁溫度基本不會(huì)出現(xiàn)氣化并產(chǎn)生阻塞流從而影響換熱效率。

（5）閥體總體的應(yīng)力與應(yīng)變均不大，但由于結(jié)構(gòu)突變?cè)诰植奎c(diǎn)有較高的應(yīng)力值。不可忽略地，圖C和D中出現(xiàn)的局部溫度或應(yīng)力過(guò)高的情況，這是因?yàn)殚y體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)銳邊和流道流線斷續(xù)等不規(guī)則結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致?lián)Q熱計(jì)算中邊界層破壞并出現(xiàn)奇異點(diǎn)。后續(xù)可以通過(guò)優(yōu)化倒角和流道流線特性，進(jìn)一步改善流場(chǎng)溫度分布和閥體應(yīng)力分布。