迷宫式最小流量调节阀的流动特性研究

将迷宫式最小流量调节阀的流道分解为串联型和并联型流道, 首先对其节流降压特性分别进行模型试验, 分析流体在流道中的压力分布特性, 然后根据压力分布特性, 对串联型流道进行优化设计和试验, 最后通过模型试验, 研究了两种流道的阻力特性。研究表明, 在入口流量相同的条件下, 串联型迷宫流道节流产生压降大, 并联型迷宫流道产生的压降小, 但是降压过程更平缓;通过对串联型流道进行优化设计, 克服了串联流道中因面积增加过大所导致的缩流现象;阻力特性试验表明, 串联型流道的阻力系数较并联型流道大。

前言

最小流量调节控制阀是锅炉给水旁路系统的重要流量控制部件, 当锅炉给水泵输出流量减少到最小额定流量时, 最小流量调节控制阀立即自动开启, 将超出部分的流量分流到除氧器(或冷凝器), 从而使给水泵在可靠的条件下运行, 保护了给水泵的安全运行, 同时将余热循环利用, 可有效节约能源。

最小流量调节阀是电站中运行工况最为恶劣的几种调节阀之一。在最小流量调节阀处于开启状态时, 需要将高温高压的水逐级降压, 在降压过程中不能发生气蚀, 而且当其处于关闭状态时, 应能承受高达35MPa甚至更高的静压差, 并做到关闭紧密。

对于最小流量调节阀的在工程中的应用, 许多学者在流量特性与控制性能之间的关系方面进行了大量的研究工作。此外, 还有一些学者建立了不同的数学模型来研究调节阀的流量特性。

以上研究主要集中在调节阀整体性能的应用研究, 而对核心部件阀芯的结构设计研究较少。因此, 本文根据国内电站机组发展的需要, 设计了一种新型结构的阀芯。在设计过程中, 将阀芯的流动通道设计成迷宫型多流道直角弯路形式, 采用不等分逐级降压技术, 将高压差的能量平稳地消耗在整个节流过程中。在本文的研究中, 将自行设计的迷宫流道分解为串联型和并联型流道,首先对其节流降压特性分别进行模型试验, 分析流体在流道中的压力分布特性, 然后根据流道中的压力分布, 对串联型流道进行优化设计和试验,最后研究了两种流道的阻力特性, 从而为阀的整体设计提供重要的参考。

迷宫流道的模型试验

图1(a)所示为迷宫式最小流量控制阀的实物图, 它由多个迷宫盘层叠而成, 每个迷宫盘的正面有4个迷宫流道, 背面也有4个迷宫流道, 如图1(b)中的虚线部分所示。

每一个流道都有一定数目的直角转折, 高压流体通过这些转折流道时, 由于流通面积不断变化, 形成了多级节流降压。根据用户不同的流量调节要求, 经过精确的计算, 选定不同的直角弯道数目和节流级数, 使得流经迷宫式流道的介质速度始终限制在一定范围内。最小流量调节阀所承受的压差越大, 所需的直角弯道数目和节流级数也越大。设计还须保证高压给水经过多级降压。后, 在每个盘片流道出口处的流速被限制在30m/s以下。所以, 压力控制设计的关键在于如何设计弯道的数量和面积, 以期最有效地实现不断的扩容降压, 使压力由高压平稳过渡至低压。

由于每一片迷宫盘片的流量及弯道数量可以改变, 而且盘片的厚度可以设计得很薄(甚至到2.5mm), 流道的宽度很小(局部流道可以为4mm), 以提供精确的流量控制。在迷宫式调节阀中, 流阻、弯路数目和独立流道的面积可以独立预先设计, 以适应系统运行的需要并保持低的出口流速。

如上所述, 由于调节阀中迷宫式流道结构复杂、流通面积非常小, 其测试要求远远高于一般试验室所能提供的现场试验条件。因此, 从经济和试验技术两个方面考虑, 可以在满足相似条件下,进行模型试验研究, 以分析流道的节流降压特性以及流道中流体的压力分布规律。

如图1所示, 迷宫盘上每个流道是由一个串联型流道和一个并联型流道相互连接组成。为了更好地研究整个流道的阻力特性, 本文将其分解成为串联流道和并联流道, 如图2所示, 然后分别进行模型试验, 研究其阻力特性, 从而为每个流道以及整个阀体的设计提供重要参考。

对比图1中的实物和图2 中的流道模型, 可以发现, 为了方便模型试验过程中压力探头7的布置, 对串联型流道略做了改动, 对其阻力性能影响较小。根据现有的试验条件, 流道模块几何尺寸设计为原调节阀中每个流道几何尺寸的4倍。串联型迷宫式流道进口面积A=256cm2，并联型迷宫式流道进口面积A=3.2cm2。

模型试验必须满足几何相似、运动相似和动力相似这三个基本条件。经相似理论分析, 在迷宫式流道模型试验中, 相似条件中起主要作用的是Re和Eu。当Re增大到某一定值, 使流体的流动进入了第二自模区, 此时对应的流动是充分发展的湍流。当模型和实物处于同一自模区时, 模型试验的结果就可以应用到实物中去。因此, 可测出流道的阻力系数ξ以及流道中各点的压力p1随流量的变化曲线, 以便进行迷宫式流道的流动特性分析。

2.1单迷宫流道的压力降试验

试验工质为清水，保持测压点1 的压力p1不变, 从大到小依次逐渐改变流道中的流量, 并确保流体在流道中各点处的雷诺数满足Re>10^5的条件, 测得了在不同流量下, 两种流道中各点的压力大小, 如图3所示。的压力与流量之间的关系具有以下特点:

(1)在较大的流量范围内, 两种流道模块均有均匀降低压力的功能。随着流量逐渐增大, 流动阻力相应增大, 压降均匀增加, 这一特点符合迷宫式最小流量阀所设计的逐级降压要求。逐级均匀降压能减少流体在阀门流道中局部空化和汽蚀, 从而保证阀门安全正常运行;

(2)从图3(a)中可以看出, 在相同的最大入口流量的条件下, 串联型迷宫式流道可有效地降低高达240kPa的压差, 而图3(b)中并联型迷宫式流道只能降低约80kPa的压差, 因此, 串联型流道的节流降压能力强;

(3)串联型流道模块在连续降压过程中, 由于受到了强烈的扰动, 在测点6处形成缩流, 导致流体的压力在降低过程中有部分恢复;

(4)与串联型流道模块相比, 在相同入口流量的条件下, 并联型流道内的流量要小一半, 其流速也降低, 压力下降趋缓, 在流道下游段未形成缩流, 降压过程比较平缓。

2.2 流道流通特性的局部优化

根据压力降特性试验所得到的压力分布, 串联型流道在测点6处形成缩流, 导致流体的压力在降低过程中有部分恢复。这可能是由于在图2(a)的串联流道中T2处面积相对于T1处的面积增加太大。为此, 对其进行了局部优化, 在不改变T1处面积的前提下, 将T2与T1处的面积之比由1.5降低至1.35, 得到的试验结果如图4所示。

从图4的试验结果可以看出, 流道经过局部优化后, 在测点6处的压力降特性具有明显改善,没有形成缩流, 压力平稳降低, 达到了较好的效果。

2.3 单迷宫流道的阻力特性试验

将优化后的串联型流道和并联型流道分别进行阻力特性试验, 得到的试验结果如图5所示。

从图5的试验结果可以看出, 在相同流量情况下, 串联型流道的阻力系数ξ较并联型流道大。另外, 在进入第二自模区后, 阻力系数为常数, 串联和并联流道的阻力系数ξ分别为5.16和2.62。通过模型试验获得的这两个参数, 可以分别反映迷宫盘上实际流道的阻力特性, 为迷宫盘的流道设计提供重要参考。

3 讨论

通过流道模块的阻力特性试验表明, 作为降压节流的阻力元件, 串联型流道的阻力大。在阀体的设计过程中, 可以根据需要对两种进行组合设计。由于在实际应用过程中, 对于流体的降压节流, 一般是先让流体经过一段串联型流道, 让其在较短的流道和较短的时间内压力迅速降低, 然后再经过并联流道, 一方面使流体压力继续均匀降低, 使降压速度减慢;另一方面, 通过流量的均分, 使流体的出口速度降低, 这样就可以在保证节流降压的前提下, 使流经迷宫盘上每个流道的流体, 在出口处的相互干扰减小, 以避免因扰动太大而导致阀体的剧烈振动。

本文分别研究了串联型流道和并联型流道的降压特性和阻力特性, 通过试验可以看出, 将图1中迷宫盘上的整个流道分解成两部分来研究, 可以更好地研究两种流道的特性, 例如在串联流道中, 就可以比较清楚地发现缩流问题, 从而为流道的优化提供重要依据, 改进后的流道就可以较好地克服上述问题。对于阻力特性来说, 知道了两部分阻力系数, 就可以获得整个流道的阻力系数,在设计过程中就可以有效利用。

4 结论

(1)将自行设计的迷宫流道分解为串联型和并联型流道, 首先对其节流降压特性分别进行模型试验, 分析流体在流道中的压力分布特性, 试验结果表明, 在相同流量下, 串联型迷宫流道的节流产生压降大, 并联型迷宫流道产生的压降小, 但是降压过程更平缓;

(2)通过对串联型流道进行优化设计, 克服了串联流道中因面积增加过大所导致的缩流现象;

(3)最后通过模型试验, 研究两种流道的阻力特性, 模型试验表明, 串联型流道的阻力系数ξ较并联型流道大, 这两个参数可以为迷宫盘上的每个迷宫流道以及阀的整体设计提供重要的参考。