多级笼式套筒减压阀的设计及阀口流量特性研究

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(1.武汉第二船舶设计研究所， 湖北 武汉 430064；2.北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院， 北京 100124)

引言

我国船舶蒸汽动力系统汽轮给水泵组属于小容量机组，一般配置自力式开关型最小流量再循环阀。即在汽轮给水泵流量小到某一限值时，最小流量再循环阀在给水压差作用下直接从全关状态开启到全开状态。 从实际使用效果看， 所配置的再循环阀能保护给水泵在小流量工况下的安全性，但存在小流量工况时机组振动噪声显著放大的现象[1-3]。由于船舶给水机组的常用工况恰好为小流量工况，从而使给水泵机组成为整船重要的振动噪声源，需要进行振动噪声的治理。

根据船上的空间与功能要求，结合给水调节阀的功能特点，提出了新型联动再循环阀的概念。即设置一个与给水阀具有联动功能的回水阀门，利用原有的给水调节阀的一个电动执行器，可同时驱动给水调节阀以及回水阀门[3]。当处于给水调节阀开度较小的工况下，联动打开回水阀门，使给水泵流量不至于太小，可避免使给水泵运行在振动较大的工况，从而满足给水泵的工作安全性。如图1所示，回水调节阀与给水调节阀并联布置，两者通过连杆机构实现联动，并由给水调节阀原有的1个电动头来驱动阀杆。2个阀门各有1个进水口与1个出水口，为了提高单个阀门的可维修性，将2个阀门进行分体式布置。本研究运用FLUENT软件对阀内部流场进行数值仿真研究，得到不同阀口开度下流场的压力、速度分布以及流量系数等流量特性参数，并将仿真与试验结果相比较，验证理论研究的正确性，为回水调节阀的设计与研究提供依据。

图1 回水调节阀与给水调节阀联动原理方案

1 多级笼式套筒减压阀结构及工作原理

1.1 多级笼式套筒减压阀结构介绍

多级笼式套筒减压阀由回水调节阀本体和连杆机构两大部分组成，如图2所示，阀的主要性能参数见表1，其主要设计特点包括：

图2 回水调节阀及传动装置结构原理图

类别数值公称压力/MPa10公称通径/mm80工作温度/℃65～104额定进口压力/MPa3．5出口压力/MPa0．4额定流量/m3·h-170阀杆行程/mm75

(1) 阀芯和笼罩组合成两级减压结构，阀门调节过程中，两级的开度相匹配，可充分利用每级的减压节流效能，控制每一级压差，防止发生空泡噪音；

(2) 阀芯与阀杆为分体活动结构。阀芯下行需阀杆先下行，阀杆下端台阶与阀芯脱离，然后在弹簧力作用下阀芯下行至阀杆的相应位置，即实现阀芯与阀杆的随动。阀芯上行时，靠阀杆的台阶拉动；

(3) 阀杆采用17-4PH材料，具有较好耐腐蚀性能，并具有较高的屈服强度。阀杆上开有孔与槽，以实现阀芯上下水压力的平衡；

(4) 阀芯两级外径差、以及弹簧设计兼顾了阀门密封力以及电动头提升力能力的要求；

(5) 阀座接触面以及阀芯外表面采用了表面低压固氮处理技术，提高抗冲蚀能力。阀芯和阀杆的密封圈采用特殊聚四氟乙烯，以降低阀芯、阀杆分别与阀盖运动时的摩擦力；

(6) 连杆1、连杆2与连杆机构通过球形头活套连接，实现连杆1、连杆2上下直线自由运动，杠杆圆周自由运动；

(7) 连杆机构的活动部件采用粉末治金和38CrMoAl等摩擦系数较小或耐磨擦材料，并采用表面氮化等相关工艺来提高其表面硬度，从而满足活动副的要求。

2 多级笼式套筒减压阀流场仿真

2.1 控制方程

由于该计算域结构体相对较复杂，因而流动比较复杂，并且流体为不可压低速流，可应用RNGk-ε标准湍流进行理论建模[4]：

动量方程为：

(1)

式中，ρ为介质的密度，ui、uj分别为沿i、j方向的速度分量，p为压力，u为水的动力黏度。

涡动动能方程为：

(2)

式中，k为涡动动能系数，ε为涡动动能耗散率。

涡动动能耗散率方程为：

(3)

式中，Cε1、Cε12为模型计算的经验常数。

(4)

涡黏性系数ut为：

ut=ρCμk2/ε

(5)

涡动动能生成项P为：

(6)

式中，um为沿m方向的速度分量。

2.2 网格划分

运用三维软件SolidWorks对回水调节阀进行三维建模，并提取不同阀口开度的流体域，导入FLUENT软件中对流体域进行计算的前处理[5]。由于回水调节阀多级减压阀口处几何特征较为复杂，为了保证计算的精度，采用分块网格划分的方法划分网格，在进出水口处以结构化网格划分，阀体流道部分以非结构网格划分，对多级阀口处的网格进行局部加密。图3所示为回水阀在开度为50%时流体域的网格，网格数为20975个。

图3 回水调节阀流体域网格划分结果

2.3 边界条件及计算方法

运用采用基于压力速度耦合的SIMPLE算法对回水调节阀口进行静态计算[6]，设置的边界条件为：

(1) 入口压力为3.5 MPa，出口压力为0.4 MPa；

(2) 采用水为流动介质进行计算，温度70 ℃时水的密度为977.8 kg/m3，动力黏度为0.406×10-3Pa·s，运动黏度为0.415×10-6m2/s；

(3) 不考虑流体的热量交换，即假定壁面绝热，壁面和流体之间没有热交换；

(4) 收敛精度设置为10-4，迭代步数为2000。

3 数值计算及试验结果分析

3.1 流场仿真结果

图4、图5分别为阀口开度为50%和100%时的回水阀的压力分布云图。由图4可知，回水调节阀进出口段的压力分布较为均匀， 在阀芯的减压孔和笼罩的减压孔连通处产生明显的压降，压力值由2.5 MPa降为1.5 MPa。当阀口开度为100%时，回水调节阀进出口处的压力分布变化不大，而阀口处的压力下降区域变大，减压效果增强，说明随着阀口开度的增大，回水阀的减压效果更加明显。

图4 阀口开度50%时对称面上压力分布云图

图5 阀口开度100%时对称面上压力分布云图

图6、图7分别为阀口开度为50%和100%时的回水阀的速度分布云图。由图可知，阀口开度100%时回水调节阀入口段的速度分布比50%时均匀，且阀口处的速度增大更为明显，最大流速达到1000 m·s-1。而在入口段的右下侧及出口段右上侧流道拐角处流速为0 m·s-1，即此处为回水阀门工作时介质流动的闭死区域。

图6 阀口开度50%时对称面上速度分布云图

图7 阀口开度100%时对称面上速度分布云图

3.2 流量特性曲线

为验证阀门流量特性，委托国家泵阀产品质量监督检验中心进行了流量特性检测。测试项目主要包括回水阀在各种开度下的雷诺数、流量系数、流阻系数、阀门升程流量特性曲线等。数值仿真和试验得到的开度(h)-流量(q)曲线对比如图8所示，可以看出仿真和试验结果总体上吻合性较好。

图8 阀口开度-流量曲线图

4 结论

(1) 具有联动功能的回水调节阀能够在汽轮给水泵组小流量工况下提供足够的给水量，提高给水泵的工作流量，提高给水泵的工作安全性。

(2) 阀口开度越大，回水调节阀口处的压力下降越明显，且内部流体的速度分布越均匀，即阀的减压性能越好。

(3) 试验结果显示，回水调节阀在额定给水压力下的最大流量为71 m3·h-1，与仿真计算值基本吻合，达到了设计指标，且开度流量特性曲线线形度好，满足要求。

参考文献：

[1] 阎志敏.给水泵再循环调节阀的设计与控制[J].发电设备,2008,4(3):332-334.

[2] 高绪学,杜雪珍.给水泵最小流量再循环阀的技术分析[J].石油化工自动化,2007,6(2):85-86, 91.

[3] 叶文华,黄碧亮.珠海发电厂汽动给水泵再循环阀故障分析[J].热力发电,2005,1(2):38-42.

[4] Young J A, Byeong J K, Byeong R S. Numerical Analysis of 3-D Flow Through LNG Marine Control Valves Fortheir Advanced Design[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2008,22(10):1998-2005.

[5] 王燕,徐晓刚,等.多级套筒调节阀流场数值模拟与流量特性研究[J].石油化工自动化,2013,49(1):50-53.

[6] 冯卫民,肖光宇,等.基于数值仿真的蝶阀性能对比分析[J].排灌机械工程学报,2010,28(4):315-319, 324.