船用锅炉给水再循环管路上的节流孔板设计与优化

杨元龙

船用锅炉给水再循环管路上的节流孔板设计与优化

杨元龙

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

船舶给水管路上节流孔板的过度限流，会引起管路产生剧烈的振动和噪声，极大地影响船用给水系统管路的安全运行。针对某大型船舶蒸汽动力系统试验中给水再循环管路上单级节流孔板汽蚀诱发管路剧烈振动和噪声的故障事例，根据管路汽蚀的理论评估方法，分析孔板汽蚀诱发管路振动的机理。采用CFD数值模拟手段研究给水再循环管路节流孔板流域的压降特性、湍流结构及温度场分布规律，验证并明晰给水再循环管路单级节流孔板下游发生的汽蚀现象。为规避孔板发生汽蚀现象，提出多级孔板减压限流的方法，基于阻塞压差的理论设计方法，结合多级节流孔板几何级数递减的设计原则，计算节流孔板的孔径、级数和厚度。该分析方法可用于指导船舶大压降给水系统管路多级节流孔板的结构设计和安全运行。

节流孔板；汽蚀；给水再循环管路

期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：杨元龙.船用锅炉给水再循环管路上的节流孔板设计与优化［J］.中国舰船研究，2015，10（5）：99-103.

YANGYuanlong.Designandoptim ization ofthe throttleorificeofmarineboiler feed recyclingpipes［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（5）：99-103.

0　引言

在船舶蒸汽动力系统设计层面，节流孔板成为汽水管路上关键的压力控制部件，其主要运行原理是当具有较高压头的流体在管路中高速流经孔板时，由于节流孔板的限流作用，会产生较大的局部压力损失，进而使流体压力大幅度降低，达到设计目标压力。为避免汽轮给水泵运行于小流量、高扬程状态［1-2］，需要配置节流孔板装置。但由于节流孔板存在汽蚀的影响，因此船舶给水再循环系统管路上不合理的节流孔板设计必然会导致管路剧烈振动并伴有强烈的噪声［3-4］，从而严重影响船舶凝给水系统管路的结构完备性和运行安全性。

目前，国内、外学者针对节流孔板已开展了大量设计与分析研究［5-9］。张宝峰［5］基于经验关联式设计了适用于小压降管路的两级节流件；李妍等［8］基于CFX程序对小直径管路节流孔板进行了数值模拟计算。但是，大多数设计都是基于流体充分发展流动的设计经验和试验关联公式，并未考虑节流孔板的工艺安装及运行中的热膨胀效应，极易引起汽水管系的振动和噪声。本文将针对某大型船蒸汽动力系统试验给水再循环管路上单级节流孔板引发振动和噪声的故障事例，结合管路汽蚀的理论方法，采用数值模拟的手段验证并明晰给水再循环管路单级节流孔板诱发汽蚀的故障模式和内在机理，并将基于阻塞压差的理论校核计算，对给水再循环管路节流孔板进行优化设计，采用六级节流孔板取代给水再循环管路中的单级节流孔板，以减少管路的强烈振动和噪声。

1　汽蚀诱发机理

如图1所示，高压流体在系统管路上流过节流孔板时，由于节流孔板开孔尺寸较小，高压给水的通流面积突缩，在节流孔板处流体流速增大，并产生涡流动力损耗，流体的静压转化为部分动压，从而在节流孔板两侧产生大幅度压降。但节流孔板后流体局部压力会低于流体对应的饱和压力，从而使流体产生空化现象，管路中部分流体将汽化并产生微小的汽泡。当节流孔板下游流体压力升高，大于气泡压力时，将导致汽泡快速溃灭，在汽泡破裂的瞬时流体形成高强度的微射流，这种现象称为汽蚀［7］。在流体汽蚀过程中形成的微射流和高速冲击力可高达上千兆帕，且在短时间内持续几万次地冲击管壁，从而诱发流体管路剧烈振动并伴有强烈的噪声。

图1　孔板汽蚀示意图Fig.1　Diagram of throttle orifice cavitation

2　故障模式分析

图2给出了某大型船动力系统试验给水再循环管路流向示意图。给水系统试验过程中，当汽轮给水泵的转速为5 000 r/min时，给水出口压力为4.5MPa，给水温度约为105℃，去往锅炉汽包的给水流量约为10 t/h，去往除氧器的给水再循环流量约为45 t/h，发现给水再循环管路发生高频振动，且在节流孔板局部区域产生尖锐的啸声。基于上述汽蚀诱发机理分析，可知节流孔板产生汽蚀导致了给水再循环管路的振动和噪声。为进一步验证给水再循环管路上节流孔板汽蚀诱发振动和噪声的故障模式，本文采用CFD计算方法对给水再循环管路及其单级节流孔板的水动力特性进行数值分析。

图2　给水再循环管路示意图Fig.2　Feed recycling pipe diagram

2.1研究模型

鉴于实船给水再循环管路系统复杂，本文合理选取典型的船舶给水系统管路（图3）用于数值分析。管道直径为77 mm，管路长度为500mm，单级孔板厚度为18mm，孔径为10mm。

图3　节流孔板结构与网格模型Fig.3　Structure and grid modelsof throttle orifice

基于ICEM软件并采用非结构化网格方式对给水再循环管路及节流孔板进行网格处理，在给水管路壁面处添加边界层网格，节流孔板网格加密处理，基于网格敏感性分析，确认该模型共含18万个单元，网格精度满足数值模拟要求。

2.2计算边界

本文应用CFX软件进行数值模拟，数值求解的控制方程（质量、动量和能量方程）的描述形式详见文献［10］。基于实际运行参数，设置计算边界条件：进口压力为4.5 MPa，进口温度为104.5℃，出口压力为0.125MPa。

2.3结果分析

流体流速沿给水再循环系统管路的变化曲线如图4所示。从图中可以看出，在节流孔板上游，流体的速度较低，当流体流经节流孔板的小孔时，流体速度急剧上升，同时在节流孔板下游，流体的速度又急剧减小。图5所示为流体速度的流动矢量图。从中可看出，在孔板的小孔射流作用下，节流孔板下游的局部流域产生了大尺寸涡流，诱发了流体的湍流动量耗散（湍动能变化规律如图6所示），进而导致管路低频振动。

图4　流速变化曲线Fig.4　Velocity curves

图5　流速纵截面分布规律Fig.5　Longitudinalsection velocity distributions

图6　湍动能分布规律Fig.6　Turbulence kinetic energy distribution

图7和图8所示为给水温度在节流孔板前、后的变化规律。由于节流孔板的限流作用，在节流孔板下游区域产生了漩涡，促使流体湍流耗散转换为流体热能，使流体温度在节流孔板附近逐渐升高。随着流体的流动发展，在节流孔板下游区域流体的温度缓慢降低。

图7　温度分布曲线Fig.7　Temperature curves

图8　温度纵截面分布规律Fig.8　Longitudinal sectional temperature distributions

图9和图10所示为给水再循环管路流体压力的变化规律。由图可知，在孔板上游区域，由于管路短、阻力小，使得压力较高，并基本保持不变。沿着给水流动的方向，由于节流孔板的局部节流作用，促使孔板下游区域压力急剧下降，孔板节流后压力大约降至0.05MPa，该流体压力低于给水温度为104.5℃时所对应的0.118 8 MPa饱和压力，将导致给水发生汽蚀现象，进而诱发管路的高频振动和噪声。数值模拟压力曲线与试验测量数据基本吻合。

图9　压力变化曲线Fig.9　Pressure curves

图10　压力分布规律Fig.10　Pressure distributions

根据给水再循环管路压力、流速和温度变化特性的CFD计算与分析，进一步证实了由于孔板产生汽蚀现象而导致给水再循环管路节流孔板的振动和噪声。

3　多级节流孔板设计

对于单级大压降的给水再循环管路节流孔板，为防止管路内给水发生汽蚀，可以通过设计多级节流孔板的方式来节流降压，使各级孔板节流后的流体局部压力高于流体相对应的饱和压力，确保各级节流后给水不发生汽蚀现象，以减少管路振动和噪声的产生。

给水再循环管路多级节流孔板的设计主要是在确定流体温度、流量及压差的边界条件下，进行孔板级数的选取、孔板孔径的计算和孔板厚度的校核。

3.1孔板级数的选取

当流体流经节流孔板时，节流孔板节流后的流体压力等于流体相对应的饱和压力，此时，流体刚达到发生汽蚀的节流孔板前、后流体压降，称为阻塞压差［5］，计算表达式为

式中：ΔPs为阻塞压差，MPa；Fl为压力恢复系数，取值为0.9；Pin为进口压力，MPa；Ff为临界压力比系数；Pw为设计温度下饱和蒸汽压力，MPa。

其中

式中：Pv为节流后压力，MPa；Pc为水的热力学临界压力，MPa，取值22.5MPa。

在确保节流孔板前、后压降小于阻塞压差的条件下，每级孔板的节流压降应该按照几何级数递减［5］，即

式中：ΔP为孔板前后压差，MPa；n为孔板级数。

3.2孔板孔径的计算

根据《DL/T 5054-1996火力发电厂汽水管道设计技术规定》的要求［11］，节流孔板的孔径计算表达式为

式中：Dk为节流孔板的孔径，mm；G为流量，t/h；ρ为流体密度，kg/m3。

3.3孔板厚度的校核

节流孔板厚度计算校核的计算式为

式中：δ为节流孔板的厚度，mm；P为设计压力，MPa；di为管道内径，mm；［σ］t为设计温度下管材的许用应力，MPa；μ和φ为节流孔板的结构系数，取值分别为0.6和0.85。

3.4多级孔板的计算

针对某大型船舶动力系统试验给水再循环管路系统，运行参数为：给水再循环流量为50 t/h，给水温度为104.5℃，给水密度为955 kg/m3，给水进口压力为4.5 MPa，出口背压为0.125 MPa，孔板实际节流压降为4.37MPa。根据式（1），计算得到孔板阻塞压降为3.55 MPa，远小于孔板实际要求的压降，因此孔板会发生汽蚀现象。

按照多级节流孔板的几何级数递减设计准则，结合多级节流孔板的每级压降与相应阻塞压降的对比计算，确定节流孔板的级数为6级；然后在每级节流孔板压差确定的条件下，利用式（5）计算各级孔板的孔径；最后，根据式（6）计算节流孔板的厚度。

给水再循环管路的多级节流孔板迭代试算的具体数据详见表1。

4结语

本文针对某大型船舶蒸汽动力系统试验给水再循环管路上单级节流孔板振动和噪声的故障模式，结合管路汽蚀的理论评估方法，首先采用CFD数值模拟的手段验证并明晰了给水再循环管路单级节流孔板诱发的汽蚀现象，该现象将引起管路内流体的阻塞，进而导致管路剧烈的振动与噪声。然后，根据阻塞压差的理论计算与校核方法，结合多级节流孔板的几何级数递减的设计原则，对给水再循环管路节流孔板进行优化设计，确定了孔板的级数、孔径和厚度，并采用六级节流孔板代替原给水再循环管道路单级节流孔板，以减少管路强烈的振动和噪声。因此，该计算方法可用于指导船舶大压降给水系统管路多级节流孔板的结构设计和安全运行。

表1　节流孔板设计计算Tab.1　Design and calcu lation for throttle orifice

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［责任编辑：喻菁］

Design and op tim ization of the th rottle orifice ofm arine boiler feed recycling p ipes

YANGYuanlong
China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China

When the throttle orifice ofmarine feed pipes is throttled excessively，strong vibration and noise could be induced，which wou ld underm ine the safety and operation of the feed pipe system.In this paper，a casewhere strong vibration and noise come from the cavitation of throttle orificewhen testing certain large marine steam power systems is investigated.According to theoreticalmethod of cavitation，the vibration mechanisms are analyzed.The pressure drop，turbulent structure，and temperature distributions for the throttle orifice ofmarine feed pipes are also investigated with the CFD method.It is seen that the cavitation phenomenon occursmost at the downstream of the single throttle orifice；in order to avoid the cavitation problem，a multistage throttle orifice is proposed.Based on the design method of blockage pressure drop and decreasing stages，the hole diameter，stages，and thickness of throttle orifice are calculated.Therefore，the p roposed method could be applied to guide the structure design and safe operation ofmu ltistage throttle orifice for themarine feed pipelinewith large pressure drop.

throttle orifice；cavitation；feed recycling pipe

U664.5

ADO I：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.016

2015-02-07网络出版时间：2015-10-8 11∶16

国家自然科学基金资助项目（51309063）

杨元龙（通信作者），男，1986年生，硕士，助理工程师。研究方向：舰船蒸汽动力系统性能仿真与设计。

E-mail：long31609@163.com

网络出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1116.040.htm l