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迷宮式最小流量調節閥的流動(dòng)特性研究

將迷宮式最小流量調節閥的流道分解為串聯(lián)型和并聯(lián)型流道, 首先對其節流降壓特性分別進(jìn)行模型試驗, 分析流體在流道中的壓力分布特性, 然后根據壓力分布特性, 對串聯(lián)型流道進(jìn)行優(yōu)化設計和試驗, 最后通過(guò)模型試驗, 研究了兩種流道的阻力特性。研究表明, 在入口流量相同的條件下, 串聯(lián)型迷宮流道節流產(chǎn)生壓降大, 并聯(lián)型迷宮流道產(chǎn)生的壓降小, 但是降壓過(guò)程更平緩;通過(guò)對串聯(lián)型流道進(jìn)行優(yōu)化設計, 克服了串聯(lián)流道中因面積增加過(guò)大所導致的縮流現象;阻力特性試驗表明, 串聯(lián)型流道的阻力系數較并聯(lián)型流道大。

前言

最小流量調節控制閥是鍋爐給水旁路系統的重要流量控制部件, 當鍋爐給水泵輸出流量減少到最小額定流量時(shí), 最小流量調節控制閥立即自動(dòng)開(kāi)啟, 將超出部分的流量分流到除氧器(或冷凝器), 從而使給水泵在可靠的條件下運行, 保護了給水泵的安全運行, 同時(shí)將余熱循環(huán)利用, 可有效節約能源。

最小流量調節閥是電站中運行工況最為惡劣的幾種調節閥之一。在最小流量調節閥處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí), 需要將高溫高壓的水逐級降壓, 在降壓過(guò)程中不能發(fā)生氣蝕, 而且當其處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí), 應能承受高達35MPa甚至更高的靜壓差, 并做到關(guān)閉緊密。

對于最小流量調節閥的在工程中的應用, 許多學(xué)者在流量特性與控制性能之間的關(guān)系方面進(jìn)行了大量的研究工作。此外, 還有一些學(xué)者建立了不同的數學(xué)模型來(lái)研究調節閥的流量特性。

以上研究主要集中在調節閥整體性能的應用研究, 而對核心部件閥芯的結構設計研究較少。因此, 本文根據國內電站機組發(fā)展的需要, 設計了一種新型結構的閥芯。在設計過(guò)程中, 將閥芯的流動(dòng)通道設計成迷宮型多流道直角彎路形式, 采用不等分逐級降壓技術(shù), 將高壓差的能量平穩地消耗在整個(gè)節流過(guò)程中。在本文的研究中, 將自行設計的迷宮流道分解為串聯(lián)型和并聯(lián)型流道,首先對其節流降壓特性分別進(jìn)行模型試驗, 分析流體在流道中的壓力分布特性, 然后根據流道中的壓力分布, 對串聯(lián)型流道進(jìn)行優(yōu)化設計和試驗,最后研究了兩種流道的阻力特性, 從而為閥的整體設計提供重要的參考。

迷宮流道的模型試驗

圖1(a)所示為迷宮式最小流量控制閥的實(shí)物圖, 它由多個(gè)迷宮盤(pán)層疊而成, 每個(gè)迷宮盤(pán)的正面有4個(gè)迷宮流道, 背面也有4個(gè)迷宮流道, 如圖1(b)中的虛線(xiàn)部分所示。

每一個(gè)流道都有一定數目的直角轉折, 高壓流體通過(guò)這些轉折流道時(shí), 由于流通面積不斷變化, 形成了多級節流降壓。根據用戶(hù)不同的流量調節要求, 經(jīng)過(guò)精確的計算, 選定不同的直角彎道數目和節流級數, 使得流經(jīng)迷宮式流道的介質(zhì)速度始終限制在一定范圍內。最小流量調節閥所承受的壓差越大, 所需的直角彎道數目和節流級數也越大。設計還須保證高壓給水經(jīng)過(guò)多級降壓。后, 在每個(gè)盤(pán)片流道出口處的流速被限制在30m/s以下。所以, 壓力控制設計的關(guān)鍵在于如何設計彎道的數量和面積, 以期最有效地實(shí)現不斷的擴容降壓, 使壓力由高壓平穩過(guò)渡至低壓。

由于每一片迷宮盤(pán)片的流量及彎道數量可以改變, 而且盤(pán)片的厚度可以設計得很薄(甚至到2.5mm), 流道的寬度很小(局部流道可以為4mm), 以提供精確的流量控制。在迷宮式調節閥中, 流阻、彎路數目和獨立流道的面積可以獨立預先設計, 以適應系統運行的需要并保持低的出口流速。

如上所述, 由于調節閥中迷宮式流道結構復雜、流通面積非常小, 其測試要求遠遠高于一般試驗室所能提供的現場(chǎng)試驗條件。因此, 從經(jīng)濟和試驗技術(shù)兩個(gè)方面考慮, 可以在滿(mǎn)足相似條件下,進(jìn)行模型試驗研究, 以分析流道的節流降壓特性以及流道中流體的壓力分布規律。

如圖1所示, 迷宮盤(pán)上每個(gè)流道是由一個(gè)串聯(lián)型流道和一個(gè)并聯(lián)型流道相互連接組成。為了更好地研究整個(gè)流道的阻力特性, 本文將其分解成為串聯(lián)流道和并聯(lián)流道, 如圖2所示, 然后分別進(jìn)行模型試驗, 研究其阻力特性, 從而為每個(gè)流道以及整個(gè)閥體的設計提供重要參考。

對比圖1中的實(shí)物和圖2 中的流道模型, 可以發(fā)現, 為了方便模型試驗過(guò)程中壓力探頭7的布置, 對串聯(lián)型流道略做了改動(dòng), 對其阻力性能影響較小。根據現有的試驗條件, 流道模塊幾何尺寸設計為原調節閥中每個(gè)流道幾何尺寸的4倍。串聯(lián)型迷宮式流道進(jìn)口面積A=256cm2，并聯(lián)型迷宮式流道進(jìn)口面積A=3.2cm2。

模型試驗必須滿(mǎn)足幾何相似、運動(dòng)相似和動(dòng)力相似這三個(gè)基本條件。經(jīng)相似理論分析, 在迷宮式流道模型試驗中, 相似條件中起主要作用的是Re和Eu。當Re增大到某一定值, 使流體的流動(dòng)進(jìn)入了第二自模區, 此時(shí)對應的流動(dòng)是充分發(fā)展的湍流。當模型和實(shí)物處于同一自模區時(shí), 模型試驗的結果就可以應用到實(shí)物中去。因此, 可測出流道的阻力系數ξ以及流道中各點(diǎn)的壓力p1隨流量的變化曲線(xiàn), 以便進(jìn)行迷宮式流道的流動(dòng)特性分析。

2.1單迷宮流道的壓力降試驗

試驗工質(zhì)為清水，保持測壓點(diǎn)1 的壓力p1不變, 從大到小依次逐漸改變流道中的流量, 并確保流體在流道中各點(diǎn)處的雷諾數滿(mǎn)足Re>10^5的條件, 測得了在不同流量下, 兩種流道中各點(diǎn)的壓力大小, 如圖3所示。的壓力與流量之間的關(guān)系具有以下特點(diǎn):

(1)在較大的流量范圍內, 兩種流道模塊均有均勻降低壓力的功能。隨著(zhù)流量逐漸增大, 流動(dòng)阻力相應增大, 壓降均勻增加, 這一特點(diǎn)符合迷宮式最小流量閥所設計的逐級降壓要求。逐級均勻降壓能減少流體在閥門(mén)流道中局部空化和汽蝕, 從而保證閥門(mén)安全正常運行;

(2)從圖3(a)中可以看出, 在相同的最大入口流量的條件下, 串聯(lián)型迷宮式流道可有效地降低高達240kPa的壓差, 而圖3(b)中并聯(lián)型迷宮式流道只能降低約80kPa的壓差, 因此, 串聯(lián)型流道的節流降壓能力強;

(3)串聯(lián)型流道模塊在連續降壓過(guò)程中, 由于受到了強烈的擾動(dòng), 在測點(diǎn)6處形成縮流, 導致流體的壓力在降低過(guò)程中有部分恢復;

(4)與串聯(lián)型流道模塊相比, 在相同入口流量的條件下, 并聯(lián)型流道內的流量要小一半, 其流速也降低, 壓力下降趨緩, 在流道下游段未形成縮流, 降壓過(guò)程比較平緩。

2.2 流道流通特性的局部?jì)?yōu)化

根據壓力降特性試驗所得到的壓力分布, 串聯(lián)型流道在測點(diǎn)6處形成縮流, 導致流體的壓力在降低過(guò)程中有部分恢復。這可能是由于在圖2(a)的串聯(lián)流道中T2處面積相對于T1處的面積增加太大。為此, 對其進(jìn)行了局部?jì)?yōu)化, 在不改變T1處面積的前提下, 將T2與T1處的面積之比由1.5降低至1.35, 得到的試驗結果如圖4所示。

從圖4的試驗結果可以看出, 流道經(jīng)過(guò)局部?jì)?yōu)化后, 在測點(diǎn)6處的壓力降特性具有明顯改善,沒(méi)有形成縮流, 壓力平穩降低, 達到了較好的效果。

2.3 單迷宮流道的阻力特性試驗

將優(yōu)化后的串聯(lián)型流道和并聯(lián)型流道分別進(jìn)行阻力特性試驗, 得到的試驗結果如圖5所示。

從圖5的試驗結果可以看出, 在相同流量情況下, 串聯(lián)型流道的阻力系數ξ較并聯(lián)型流道大。另外, 在進(jìn)入第二自模區后, 阻力系數為常數, 串聯(lián)和并聯(lián)流道的阻力系數ξ分別為5.16和2.62。通過(guò)模型試驗獲得的這兩個(gè)參數, 可以分別反映迷宮盤(pán)上實(shí)際流道的阻力特性, 為迷宮盤(pán)的流道設計提供重要參考。

3 討論

通過(guò)流道模塊的阻力特性試驗表明, 作為降壓節流的阻力元件, 串聯(lián)型流道的阻力大。在閥體的設計過(guò)程中, 可以根據需要對兩種進(jìn)行組合設計。由于在實(shí)際應用過(guò)程中, 對于流體的降壓節流, 一般是先讓流體經(jīng)過(guò)一段串聯(lián)型流道, 讓其在較短的流道和較短的時(shí)間內壓力迅速降低, 然后再經(jīng)過(guò)并聯(lián)流道, 一方面使流體壓力繼續均勻降低, 使降壓速度減慢;另一方面, 通過(guò)流量的均分, 使流體的出口速度降低, 這樣就可以在保證節流降壓的前提下, 使流經(jīng)迷宮盤(pán)上每個(gè)流道的流體, 在出口處的相互干擾減小, 以避免因擾動(dòng)太大而導致閥體的劇烈振動(dòng)。

本文分別研究了串聯(lián)型流道和并聯(lián)型流道的降壓特性和阻力特性, 通過(guò)試驗可以看出, 將圖1中迷宮盤(pán)上的整個(gè)流道分解成兩部分來(lái)研究, 可以更好地研究?jì)煞N流道的特性, 例如在串聯(lián)流道中, 就可以比較清楚地發(fā)現縮流問(wèn)題, 從而為流道的優(yōu)化提供重要依據, 改進(jìn)后的流道就可以較好地克服上述問(wèn)題。對于阻力特性來(lái)說(shuō), 知道了兩部分阻力系數, 就可以獲得整個(gè)流道的阻力系數,在設計過(guò)程中就可以有效利用。

4 結論

(1)將自行設計的迷宮流道分解為串聯(lián)型和并聯(lián)型流道, 首先對其節流降壓特性分別進(jìn)行模型試驗, 分析流體在流道中的壓力分布特性, 試驗結果表明, 在相同流量下, 串聯(lián)型迷宮流道的節流產(chǎn)生壓降大, 并聯(lián)型迷宮流道產(chǎn)生的壓降小, 但是降壓過(guò)程更平緩;

(2)通過(guò)對串聯(lián)型流道進(jìn)行優(yōu)化設計, 克服了串聯(lián)流道中因面積增加過(guò)大所導致的縮流現象;

(3)最后通過(guò)模型試驗, 研究?jì)煞N流道的阻力特性, 模型試驗表明, 串聯(lián)型流道的阻力系數ξ較并聯(lián)型流道大, 這兩個(gè)參數可以為迷宮盤(pán)上的每個(gè)迷宮流道以及閥的整體設計提供重要的參考。