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      迷宮式最小流量調節閥的流動特性研究
      來源:哲成閥門 作者:www.www.sarahtyrrell.com 發布時間:2018-4-14 閱讀:
        

      迷宮式最小流量調節閥的流動特性研究

      將迷宮式最小流量調節閥的流道分解為串聯型和并聯型流道, 首先對其節流降壓特性分別進行模型試驗, 分析流體在流道中的壓力分布特性, 然后根據壓力分布特性, 對串聯型流道進行優化設計和試驗, 最后通過模型試驗, 研究了兩種流道的阻力特性。研究表明, 在入口流量相同的條件下, 串聯型迷宮流道節流產生壓降大, 并聯型迷宮流道產生的壓降小, 但是降壓過程更平緩;通過對串聯型流道進行優化設計, 克服了串聯流道中因面積增加過大所導致的縮流現象;阻力特性試驗表明, 串聯型流道的阻力系數較并聯型流道大。

      前言

      最小流量調節控制閥是鍋爐給水旁路系統的重要流量控制部件, 當鍋爐給水泵輸出流量減少到最小額定流量時, 最小流量調節控制閥立即自動開啟, 將超出部分的流量分流到除氧器(或冷凝器), 從而使給水泵在可靠的條件下運行, 保護了給水泵的安全運行, 同時將余熱循環利用, 可有效節約能源。

      最小流量調節閥是電站中運行工況最為惡劣的幾種調節閥之一。在最小流量調節閥處于開啟狀態時, 需要將高溫高壓的水逐級降壓, 在降壓過程中不能發生氣蝕, 而且當其處于關閉狀態時, 應能承受高達35MPa甚至更高的靜壓差, 并做到關閉緊密。

      對于最小流量調節閥的在工程中的應用, 許多學者在流量特性與控制性能之間的關系方面進行了大量的研究工作。此外, 還有一些學者建立了不同的數學模型來研究調節閥的流量特性。

      以上研究主要集中在調節閥整體性能的應用研究, 而對核心部件閥芯的結構設計研究較少。因此, 本文根據國內電站機組發展的需要, 設計了一種新型結構的閥芯。在設計過程中, 將閥芯的流動通道設計成迷宮型多流道直角彎路形式, 采用不等分逐級降壓技術, 將高壓差的能量平穩地消耗在整個節流過程中。在本文的研究中, 將自行設計的迷宮流道分解為串聯型和并聯型流道,首先對其節流降壓特性分別進行模型試驗, 分析流體在流道中的壓力分布特性, 然后根據流道中的壓力分布, 對串聯型流道進行優化設計和試驗,最后研究了兩種流道的阻力特性, 從而為閥的整體設計提供重要的參考。

      迷宮流道的模型試驗

      圖1(a)所示為迷宮式最小流量控制閥的實物圖, 它由多個迷宮盤層疊而成, 每個迷宮盤的正面有4個迷宮流道, 背面也有4個迷宮流道, 如圖1(b)中的虛線部分所示。

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      每一個流道都有一定數目的直角轉折, 高壓流體通過這些轉折流道時, 由于流通面積不斷變化, 形成了多級節流降壓。根據用戶不同的流量調節要求, 經過精確的計算, 選定不同的直角彎道數目和節流級數, 使得流經迷宮式流道的介質速度始終限制在一定范圍內。最小流量調節閥所承受的壓差越大, 所需的直角彎道數目和節流級數也越大。設計還須保證高壓給水經過多級降壓。后, 在每個盤片流道出口處的流速被限制在30m/s以下。所以, 壓力控制設計的關鍵在于如何設計彎道的數量和面積, 以期最有效地實現不斷的擴容降壓, 使壓力由高壓平穩過渡至低壓。

      由于每一片迷宮盤片的流量及彎道數量可以改變, 而且盤片的厚度可以設計得很薄(甚至到2.5mm), 流道的寬度很小(局部流道可以為4mm), 以提供精確的流量控制。在迷宮式調節閥中, 流阻、彎路數目和獨立流道的面積可以獨立預先設計, 以適應系統運行的需要并保持低的出口流速。

      如上所述, 由于調節閥中迷宮式流道結構復雜、流通面積非常小, 其測試要求遠遠高于一般試驗室所能提供的現場試驗條件。因此, 從經濟和試驗技術兩個方面考慮, 可以在滿足相似條件下,進行模型試驗研究, 以分析流道的節流降壓特性以及流道中流體的壓力分布規律。

      如圖1所示, 迷宮盤上每個流道是由一個串聯型流道和一個并聯型流道相互連接組成。為了更好地研究整個流道的阻力特性, 本文將其分解成為串聯流道和并聯流道, 如圖2所示, 然后分別進行模型試驗, 研究其阻力特性, 從而為每個流道以及整個閥體的設計提供重要參考。

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      對比圖1中的實物和圖2 中的流道模型, 可以發現, 為了方便模型試驗過程中壓力探頭7的布置, 對串聯型流道略做了改動, 對其阻力性能影響較小。根據現有的試驗條件, 流道模塊幾何尺寸設計為原調節閥中每個流道幾何尺寸的4倍。串聯型迷宮式流道進口面積A=256cm2,并聯型迷宮式流道進口面積A=3.2cm2。

      模型試驗必須滿足幾何相似、運動相似和動力相似這三個基本條件。經相似理論分析, 在迷宮式流道模型試驗中, 相似條件中起主要作用的是Re和Eu。當Re增大到某一定值, 使流體的流動進入了第二自模區, 此時對應的流動是充分發展的湍流。當模型和實物處于同一自模區時, 模型試驗的結果就可以應用到實物中去。因此, 可測出流道的阻力系數ξ以及流道中各點的壓力p1隨流量的變化曲線, 以便進行迷宮式流道的流動特性分析。

      2.1單迷宮流道的壓力降試驗

      試驗工質為清水,保持測壓點1 的壓力p1不變, 從大到小依次逐漸改變流道中的流量, 并確保流體在流道中各點處的雷諾數滿足Re>10^5的條件, 測得了在不同流量下, 兩種流道中各點的壓力大小, 如圖3所示。的壓力與流量之間的關系具有以下特點:

      (1)在較大的流量范圍內, 兩種流道模塊均有均勻降低壓力的功能。隨著流量逐漸增大, 流動阻力相應增大, 壓降均勻增加, 這一特點符合迷宮式最小流量閥所設計的逐級降壓要求。逐級均勻降壓能減少流體在閥門流道中局部空化和汽蝕, 從而保證閥門安全正常運行;

      (2)從圖3(a)中可以看出, 在相同的最大入口流量的條件下, 串聯型迷宮式流道可有效地降低高達240kPa的壓差, 而圖3(b)中并聯型迷宮式流道只能降低約80kPa的壓差, 因此, 串聯型流道的節流降壓能力強;

      (3)串聯型流道模塊在連續降壓過程中, 由于受到了強烈的擾動, 在測點6處形成縮流, 導致流體的壓力在降低過程中有部分恢復;

      (4)與串聯型流道模塊相比, 在相同入口流量的條件下, 并聯型流道內的流量要小一半, 其流速也降低, 壓力下降趨緩, 在流道下游段未形成縮流, 降壓過程比較平緩。

      2.2 流道流通特性的局部優化

      根據壓力降特性試驗所得到的壓力分布, 串聯型流道在測點6處形成縮流, 導致流體的壓力在降低過程中有部分恢復。這可能是由于在圖2(a)的串聯流道中T2處面積相對于T1處的面積增加太大。為此, 對其進行了局部優化, 在不改變T1處面積的前提下, 將T2與T1處的面積之比由1.5降低至1.35, 得到的試驗結果如圖4所示。

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      從圖4的試驗結果可以看出, 流道經過局部優化后, 在測點6處的壓力降特性具有明顯改善,沒有形成縮流, 壓力平穩降低, 達到了較好的效果。

      2.3 單迷宮流道的阻力特性試驗

      將優化后的串聯型流道和并聯型流道分別進行阻力特性試驗, 得到的試驗結果如圖5所示。

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      從圖5的試驗結果可以看出, 在相同流量情況下, 串聯型流道的阻力系數ξ較并聯型流道大。另外, 在進入第二自模區后, 阻力系數為常數, 串聯和并聯流道的阻力系數ξ分別為5.16和2.62。通過模型試驗獲得的這兩個參數, 可以分別反映迷宮盤上實際流道的阻力特性, 為迷宮盤的流道設計提供重要參考。

      3 討論

      通過流道模塊的阻力特性試驗表明, 作為降壓節流的阻力元件, 串聯型流道的阻力大。在閥體的設計過程中, 可以根據需要對兩種進行組合設計。由于在實際應用過程中, 對于流體的降壓節流, 一般是先讓流體經過一段串聯型流道, 讓其在較短的流道和較短的時間內壓力迅速降低, 然后再經過并聯流道, 一方面使流體壓力繼續均勻降低, 使降壓速度減慢;另一方面, 通過流量的均分, 使流體的出口速度降低, 這樣就可以在保證節流降壓的前提下, 使流經迷宮盤上每個流道的流體, 在出口處的相互干擾減小, 以避免因擾動太大而導致閥體的劇烈振動。

      本文分別研究了串聯型流道和并聯型流道的降壓特性和阻力特性, 通過試驗可以看出, 將圖1中迷宮盤上的整個流道分解成兩部分來研究, 可以更好地研究兩種流道的特性, 例如在串聯流道中, 就可以比較清楚地發現縮流問題, 從而為流道的優化提供重要依據, 改進后的流道就可以較好地克服上述問題。對于阻力特性來說, 知道了兩部分阻力系數, 就可以獲得整個流道的阻力系數,在設計過程中就可以有效利用。

      4 結論

      (1)將自行設計的迷宮流道分解為串聯型和并聯型流道, 首先對其節流降壓特性分別進行模型試驗, 分析流體在流道中的壓力分布特性, 試驗結果表明, 在相同流量下, 串聯型迷宮流道的節流產生壓降大, 并聯型迷宮流道產生的壓降小, 但是降壓過程更平緩;

      (2)通過對串聯型流道進行優化設計, 克服了串聯流道中因面積增加過大所導致的縮流現象;

      (3)最后通過模型試驗, 研究兩種流道的阻力特性, 模型試驗表明, 串聯型流道的阻力系數ξ較并聯型流道大, 這兩個參數可以為迷宮盤上的每個迷宮流道以及閥的整體設計提供重要的參考。

      本文Tag:最小流量調節閥,迷宮式調節閥,阻力系數,壓力降
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