采用CFD 軟件對研發(fā)的最小流量閥內(nèi)部流場進行了仿真實驗，得到了閥內(nèi)壓力、速度、振動和噪聲的情況。分析結(jié)果表明，迷宮式節(jié)流閥芯通過多級轉(zhuǎn)彎流道實現(xiàn)逐級穩(wěn)定降壓，能夠有效的限制流速上升過快，防止由于壓力突變引起的閃蒸、氣蝕及沖蝕、振動和噪聲的損害。

1、概述

　　超( 超) 臨界( USC) 火電機組給水泵最小流量調(diào)節(jié)閥工作在高溫、高壓和高壓差的惡劣工況下，受氣蝕、沖刷、振動和噪聲等影響嚴重。本文介紹了研制的最小流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，并采用計算流體力學( CFD) 軟件對閥內(nèi)流場進行三維數(shù)值模擬仿真實驗和分析，獲得了閥內(nèi)部壓力與速度分布和振動與噪聲關(guān)系。對單層迷宮盤片內(nèi)部流動進行了深入的研究分析，揭示了迷宮式閥芯降壓節(jié)流的原理。

2、結(jié)構(gòu)特點

　　150Tz668Y-450W 型最小流量調(diào)節(jié)閥( 圖1)主要由閥體、閥座、節(jié)流盤、迷宮式閥芯、閥蓋、閥桿等部件組成。閥內(nèi)采用的迷宮式多級降壓節(jié)流組件是由多個迷宮式盤片采用特殊工藝制成的一體化結(jié)構(gòu)，每一層單獨的盤片上都由電火花刻蝕出多級拐彎的類似迷宮狀的流道，流體在迷宮流道中曲折流動，可以實現(xiàn)多級逐步穩(wěn)定降壓、限制流速上升過快，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認為可以從而減輕流體對閥內(nèi)件的沖刷，有效地防止閃蒸及氣蝕危害，延長使用壽命。

3、仿真計算流程

　　3.1、建立流道模型

　　利用SolidWorks 三維實體建模軟件，對閥腔內(nèi)部流道建立了流道模型( 圖2，圖3) 。整體模型由外部閥腔流道，內(nèi)部閥芯流道以及迷宮式盤片流道三部分裝配組成。

1. 閥蓋2. 閥桿3. 迷宮閥芯4. 節(jié)流盤5. 閥座6. 閥體

圖1 最小流量調(diào)節(jié)閥

圖2 閥內(nèi)流道模型

圖3 單層盤片流道模型

　　3.2、計算網(wǎng)格劃分

　　流道模型網(wǎng)格由ICEM - CFD 軟件劃分生成( 圖4) 。最小流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔形狀和流動狀態(tài)十分復雜，采用四面體/混合網(wǎng)格的方式，與自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法生成閥內(nèi)流動區(qū)域貼體網(wǎng)格。為了計算結(jié)果更加精確，對每一層迷宮盤片中的拐彎流道分別進行了加密處理。

4、數(shù)值模擬計算及結(jié)果

　　選取實際運行工況中最為苛刻的一種，介質(zhì)為高溫水，其入口溫度為138 ～ 187℃，介質(zhì)平均密度為903. 9 kg /m3，邊界條件設(shè)置為壓力進口和壓力出口，進口壓力為41. 3MPa，出口壓力為1. 3MPa，閥門開度為67. 1 %。在定常及不可壓縮條件下，對流道模型中的流動在Fluent 中進行數(shù)值模擬求解。

圖4 單層迷宮盤片網(wǎng)格

　　4.1、壓力場分析

　　通過求解得到閥內(nèi)流場的壓力分布情況( 圖5，圖6) 。閥門進口、出口及中間閥芯流道壓力分布均勻，中心流道壓力最低。迷宮流道中流體由外側(cè)流至內(nèi)側(cè)，入口處壓力最大，出口壓力最小，呈現(xiàn)出逐級下降的趨勢，壓力下降速率均勻，較好的達到了分段逐級降壓的預(yù)期效果。

圖5 Z = 0mm 截面壓力分布( Pa)

圖6 y = 253mm 水平截面壓力分布云圖( Pa)

　　4.2、速度場分析

　　通過求解得到流場速度分布( 圖7，圖8) 。閥門內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)復雜，致使速度分布不均勻。閥內(nèi)整體流速較低，在拐角區(qū)域存在明顯的低速區(qū)，迷宮盤片內(nèi)流速由外側(cè)入口向內(nèi)側(cè)出口逐級穩(wěn)定上升，最大流速多發(fā)生在流道拐彎處。整體上流速呈現(xiàn)出平緩上升的態(tài)勢，得到了有效的控制。

圖7 Z = 0mm 截面速度分布( m /s)

圖8 y = 253mm 水平截面上速度分布云圖( m /s)

　　4.3、盤片降壓限速分析

　　迷宮盤片8 條流道呈中心對稱排列，取其中的單個流道建立模型進行深入分析。得出迷宮流道內(nèi)壓力與速度局部放大圖( 圖9，圖10) 。從流道入口面開始，每隔五級拐彎測定流道截面平均壓力與平均速度，繪制成盤片內(nèi)部壓力及速度曲線( 圖11) 。

圖9 迷宮流道壓力場局部放大圖( Pa)

圖10 迷宮流道速度場局部放大( m /s)

由分析結(jié)果得出，盤片流道中的流體幾乎每經(jīng)過一級轉(zhuǎn)彎流道，壓力就比較均勻的下降一個等級，下降多級拐彎將整體上一次大壓降分解為多次的小壓降，將壓力突變改為壓力漸變，使流體壓力均保持在飽和蒸汽壓Pv以上，能夠有效的避免閃蒸和空化現(xiàn)象的發(fā)生，防止氣蝕損害。流速分布比較均勻，在接近出口處后半段流道內(nèi)流速上升相對較快。經(jīng)測算盤片內(nèi)部流道平均流速V = 25. 1m /s，入口面平均流速V1 = 16. 65 m /s，出口面平均流速V2 =28. 42m /s，在30m /s 的限制范圍之內(nèi)，表明多級拐彎迷宮式盤片能夠取得良好的限速作用，減輕振動及噪聲危害。

圖11 盤片內(nèi)部壓力及速度曲線

　　4.4、噪聲分析

　　調(diào)節(jié)閥( 工作介質(zhì)為液體) 的噪聲主要是流體流過閥門節(jié)流區(qū)產(chǎn)生高壓降，引起介質(zhì)流速變大，產(chǎn)生湍流和渦流，導致閥體振動劇烈、噪聲嚴重，此類噪聲也稱為液體動力噪聲。高壓差下調(diào)節(jié)閥液體動力噪聲往往會超過相關(guān)標準的限制值。對調(diào)節(jié)閥所產(chǎn)生的液體噪聲進行理論預(yù)測，能為相關(guān)結(jié)構(gòu)的改進提供參考。

　　以迷宮盤片單流道每一級前后的壓力大小，為最小流量調(diào)節(jié)閥噪聲的預(yù)測提供相關(guān)數(shù)據(jù)。以第一級計算為例，其進口壓力41. 3MPa，出口壓力40. 0MPa，飽和蒸汽壓為PV = 476kPa，壓力恢復系數(shù)FL = 0. 85，質(zhì)量流量q = 151. 99kg /s，管道壁厚tp= 4. 35mm，主要如表1 所示。

　　通過計算可得迷宮盤片第一級輻射總聲壓級為59. 17dB。其他各級采用同樣的計算方法。迷宮盤片共55 級。最后對不同級數(shù)總聲壓疊加，LpAe，1m為

　　通過疊加計算得出最小流量調(diào)節(jié)閥在閥體下游1m 處輻射噪聲的總聲壓級為71. 65dB(A) ，滿足標準GBJ 87 - 1985 對噪聲90dB( A) 的要求，故針對此工況下可以采用多級降壓迷宮盤片。

表1 迷宮盤片第一級噪聲理論計算

5、結(jié)語

　　采用CFD 軟件對150Tz668Y - 450W 型最小流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場進行三維湍流數(shù)值模擬計算，結(jié)果表明，多級降壓迷宮盤片的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

　　(1) 在40MPa 的高壓差條件下，由特殊結(jié)構(gòu)的多層迷宮式盤片疊加組成的迷宮式降壓節(jié)流閥芯能夠使流體在多級拐彎流道中逐漸消耗能量，實現(xiàn)分段多級降壓，限制流速過快的預(yù)期目的。將常規(guī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的壓力突變改變?yōu)閴毫�漸變，能有效地防止和減輕閃蒸氣蝕的危害。

　　(2) 借助CFD 計算流體力學軟件對閥內(nèi)流場進行仿真實驗，能夠較為準確地獲得流場內(nèi)部各個位置的壓力、速度等流動參數(shù)并進行分析。采用CFD 軟件輔助設(shè)計可以加快研發(fā)周期，減少研制成本，為最小流量閥的研究提供參考，為該產(chǎn)品的國產(chǎn)化方案實施奠定一定的基礎(chǔ)。

　　(3) 從噪聲預(yù)測計算結(jié)果中可得出各種參數(shù)對液體動力噪聲的影響，其中壓差和速度的影響最大，速度越高，噪聲越大。壓差越大，噪聲越大。