再热器喷水调节阀迷宫片流场数值研究

王珊珊，费民，陆佳铭

再热器喷水调节阀迷宫片流场数值研究

王珊珊，费民，陆佳铭

（中国电建集团上海能源装备有限公司，上海201316）

以再热器喷水调节阀为研究对象，采用UG三维软件对五种迷宫片相互错叠组成的芯包建立三维流道模型，通过ANSYS12.0-ICEM与Fluent对不同开度工况进行模拟计算，结果表明：阀门流通能力Cv计算值与试验值对比误差在5%以内，迷宫片VI中局部流速达76.8 m/s，最可能造成阀门冲刷失效的区域在迷宫片VI中。

调节阀；迷宫片；流场分析；数值模拟

再热器喷水调节阀采用给水泵中间抽头的给水作为介质，用来控制加热器、再热器和过热器的温度，防止过热器和再热器温度太高。工况要求方面，喷水阀压力高，调节精度要求高，密封要求严；阀门运行方面，阀门要求调节性能特别好，能完全精确控制喷水流量，从而控制锅炉的温度。同时阀门要求关闭性能特别好，防止泄漏，否则锅炉温度会下降，浪费能源，增加发电的煤耗量。

迷宫式系列调节阀门的抗汽蚀设计是利用迷宫式芯包多级降压的原理，通过强制介质流经一系列的直角弯道使流速得到完全的控制，达到逐级降压的目的。无论压降大小，这些弯道的阻力使得介质流速流出芯包的速度受到限制。经过多级降压，使介质的压力始终维持在介质的汽化压力之上，从而避免了汽蚀现象，消除了不安全因素[1-3]。本文通过对再热器喷水调节阀在不同开度工况流场模拟计算，以研究发现最容易发生汽蚀的阀门开度以及迷宫片形式，为后期改进迷宫片结构形式指明研究方向。

1 结构与模型

1.1 芯包结构特点

再热器喷水调节阀结构如图1所示，其中阀芯采用不平衡式，阀座、阀盖和阀体之间的采用不锈钢石墨缠绕垫密封，阀杆和阀盖之间采用石墨盘根密封，给水流向为上进下出，采用迷宫式芯包。

为满足其调节性能，芯包由20片迷宫片组成，分为5种迷宫片，根据修正等百分比流量特性，迷宫片流量从小到大排列，芯包示意图如图2所示，迷宫片结构参数如表1所示。

图1 再热器喷水调节阀结构图

图2 迷宫式芯包示意图

表1 迷宫片结构参数

1.2 物理模型与网格

使用UG建立三维几何模型，如图3所示，阀门流道分为三部分：进口段、芯包和出口段，其中芯包部分分别对五种迷宫片建立三维机械模型和流道模型，各迷宫片相互错叠组成芯包，如图4所示。

图3 再热器喷水调节阀三维模型

图4 迷宫片三维装配模型

使用ANSYS12.0-ICEM软件对模型进行网格划分，网格采用非结构化网格和结构化网格的混合网格，最小网格质量为0.35高计算精度，并节省了计算时间[4]。其中，进口段采用非结构化网格，最小网格质量0.35，芯包和出口端采用结构化网格，芯包部分最小网格质量0.85，出口端最小网格质量0.6，以VI型迷宫片网格为例，如图5所示。

图5 VI型迷宫片网格划分

2 计算结果分析

2.1 计算方法与边界条件

使用ANSYS12.0-Fluent作为流场模拟分析软件，在重力环境下，采用湍流k-e模型[5]，出口条件采用压力出口，进口条件为压力进口，根据不同阀门开度计算得出质量流量和阀门流通能力CV值，即

其中，Kv为流量系数，qv为体积流量（m3/h），△p为阀门压力损失（MPa），ρ为流体密度（kg/m3）.

阀前流体状态为表2所示。

表2 流体介质物理状态

2.2 迷宫片内部流动特性

分别对开度为30%、65%、100%的3种工况进行模拟。以65%开度为例，进口压力取12.5 MPa，出口压力取7 MPa，压差5.5 MPa，计算得出质量流量为57.8 t/h，采用y=0截面分析阀门内部流场，其总压图如图6所示。以各迷宫片横截面分析流体在迷宫片中的流动，部分截面的总压图和速度图如图7与图8所示。

图6 y=0截面阀门内部流场总压图

（续上图）

图7 部分迷宫片截面压力图

图8 部分迷宫片截面速度与压力图

计算结果表明，阀门压降主要产生在芯包区域，进口段和出口段的压降很小，相对于芯包压降可忽略，最高流速产生在芯包最上层的迷宫盘VI中，局部流速达76.8 m/s，考虑阀门安全因素考虑，可能造成阀门冲刷失效，各层盘片中的最高流速均产生在流道出口处，流体流出迷宫片后在阀体内产生较大漩涡，使阀体内部总压最低。

2.3 数值分析与设计参数对比

表3为该再热器喷水调节阀试验数据，表4为本文计算所得数据。通过本文式（1）与式（2）计算阀门流动能力Cv值。结果表明，再热器喷水调节阀出口质量流量与流动能力Cv值的计算数据与试验数据最大误差均在5%以内，满足设计要求。

表3 设计工况下再热器喷水调节阀试验数据

表4 设计工况再热器喷水调节阀模拟数据

3 结论

（1）本文分别建立阀门开度为30%、65%、100%的整体场模型，完成不同工况，不同边界条件的阀门整体模拟，得出阀门流场分布。计算阀门出口质量流量与流动能力Cv值，并与试验结果对比，误差在5%以内。

（2）阀门压降主要产生在芯包区域，进口段和出口段的压降很小，相对于芯包压降可忽略。各层盘片中的最高流速均产生在流道出口处，流体流出迷宫片后在阀体内产生较大漩涡，使阀体内部总压最低。

（3）不同阀门开度最高流速产生在65%开度芯包最上层的迷宫盘VI中，局部流速达76.8 m/s，因此，最可能造成阀门冲刷失效的区域在迷宫盘VI中，也为后期改进迷宫片结构形式指明研究方向。

[1]陆培文.阀门设计入门与精通[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]吴持恭.水力学[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]费祥麟，胡庆康，景思睿.高等流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，1989.

[4]韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[5]刘晔，朱晓林，王有镗.球阀流场的数值模拟与分析[J].吉林建筑工程学院学报，2009，26（6）：29-32.

Numerical Study on Flow Field of Labyrinth Plate of Reheater Water Jet Control Valve

WANG Shan-shan，FEI min，LU Jia－ming
（China Power Construction Group Shanghai Energy Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 201316，China）

The reheater spray valve as the research object，establishing three-dimensional channel model using UG 3D software on five mutually staggered maze piece composed of a core is simulated by ANSYS12.0-ICEM and Fluent in different opening conditions shows that the valve flow capacity Cv calculation value and experimental value of error is less than 5%VI，a maze of local flow rate is 76.8m/s，the most likely cause of the failure of valve scour area in the maze of VI.

regulating valve；labyrinth；flow field analysis；numerical simulation

TK05

A

1672-545X（2017）07-0038-03

2017-04-04

王珊珊（1983-），女，陕西西安人，硕士，工程师，研究方向：流体机械。