超临界火电迷宫式调节阀流道流场和盘片应力研究

    火力发电在我国发电行业中占据主导地位，其中超临界及超超临界机组具有大容量、高参数、高效节能等优势，是火电行业的重点发展方向。火电站阀门在锅炉启停过程、锅炉对空排汽、循环泵运行变化、调节对空排汽阀及循环泵最小流量等情况下均要承受高压差。在阀门的阻力较小时，高压差会导致高流速，而高速流体对阀体、阀芯的冲刷及引起的振动将严重影响阀门的寿命。迷宫型流道具有良好的降压消能特性，其通过多级降压的方式增加流道阻力，将高压差能量分级消耗于节流装置中，可有效解决高压差引起的问题。目前，针对调节阀迷宫式流道的研究相对较少，蒋旭平等通过模型试验研究了串联型和并联型迷宫式流道的压降特点；许明阳等将复杂的迷宫式流道分解为简单阻力环节的串联，通过现有模型及其修正来计算每个阻力环节的阻力，从而得到总压降，为迷宫式高压差调节阀的设计做出了有益尝试。上述迷宫式流道均是在低压差、不可压缩介质的情况下设计的。但当阀门在高温高压且工作介质为蒸汽的情况下工作时，因气体具有可压缩性，故出口压力下降时体积会膨胀，同时因盘片承受高压，材料在高温下强度下降，盘片的安全受到威胁。鉴此，本文研究了高温高压、可压缩介质情况下迷宫式流道结构对流场和盘片应力的影响规律，以期为迷宫式调节阀的设计提供参考依据。

    1 迷宫式调节阀结构

    图1（a）为某型号超临界火电迷宫式调节阀的结构示意图。迷宫式芯包为阀门最核心的部件，它由多层迷宫式盘片经加压、烧结而成。迷宫式盘片表面可通过电腐蚀加工成为迷宫式流道，合理设置流道的结构和尺寸为设计迷宫式流道的关键。图1（b）为对冲迷宫式盘片的结构示意图。盘片内径为44.5mm，外径为119.0mm。盘片加工了3层环向槽，相邻的环向槽之间用多条径向槽连接。环向槽和径向槽的宽度由内向外逐渐增大。由于介质为蒸汽，流道方向为内进外出，因此流道的宽度逐渐增大，便于蒸汽膨胀。在设计迷宫式盘片的流道时，由于空间的限制，盘片的内外径往往是固定的，而径向槽的宽度和数目、径向槽与环向槽之间的倒角、流道深度和盘片厚度等参数是可变的。本文研究了这些可变参数对阀门流场和盘片结构安全的影响规律。

图1 迷宫式调节阀的结构示意图

    2 研究方法

    （1）连续性方程。连续性方程描述了流动过程中流体的质量守恒性质，其张量形式为：

        （1）

    式中，ρ为介质的密度；u_i为i方向介质速度；t为时间。

    （2）动量方程。动量方程描述了流动过程中流体的动量守恒性质，其张量形式为：

        （2）

    其中

        （3）

    式中，t_ij、s_ij分别为牛顿流体中的应力应变关系和应变率张量；p为介质压力；μ为介质的动力粘度；δ_ij为克罗内克符号。

    （3）补充输运方程。流道进出口压差较大，进口的过热蒸汽在出口体积急剧膨胀，吸收热量导致温度下降，产生局部液化。由于液化量少，且介质速度高，可假设湿蒸汽在微观上均匀，其物性参数由各组分的质量分数按比例得到，各组分共享压力、速度和温度场。基于这种均匀性假设，可得到补充的输运方程为：

        （4）

    其中

    式中为平均密度；Y_i为单位体积中第i项组分的质量分数，各组分的质量分数满足关系式（n为组分个数，因本文中只有蒸汽和液滴，故取n＝2）；Γ_i为分子扩散系数；μt为湍流涡粘系数；s_ct为紊流施密特数。

    （4）能量方程。能量方程描述了流动过程中流体的能量守恒性质，考虑组分影响后的方程为：

        （5）

        （6）

    其中 （7）

    式中，P为绝对压力；T为绝对温度；h为物质的焓；λ为热传导系数；P_rt为普朗特数。

    3 迷宫式流道流场和盘片应力分析

    3.1 常温常压下的试验与计算结果

    为了测试阀门的流通能力，用常温水做介质，在阀前设置0.2MPa压力、阀前后压差为0.1MPa的工况下测量阀门开度为10%和20%时的流量。同时，在相同工况下，用CFD方法计算了对应开度下的流场。由于阀芯处承担了阀门的主要压降，因此计算时只考虑迷宫式盘片及其进出口附件的流道。考虑到盘片的对称性，计算中选取图1（b）中流道的1/16作为计算模型。表1为两个开度下的试验与计算结果。由表1可看出，计算值与试验值之间的偏差小于1.25%，表明计算方法正确、可靠。

表1 常温常压下的试验与计算结果

    3.2 高温高压下的计算结果与分析

    3.2.1 边界条件

    计算模型的边界条件设置为压力进出口边界条件，其中进口全部为超临界过热蒸汽，温度为472℃，压力为26.55MPa，出口压力为2.55MPa，对称面设置为所有标量的梯度均为零，其余面设置为无滑移壁面。由于计算域内压力和温度变化较大，因此蒸汽的密度、粘度等参数变化也很大。蒸汽的物性参数可由iapws-97中5区的方程来确定。计算模型的网格均用六面体划分，并需进行网格敏感性分析。

    3.2.2 流场计算结果与分析

    图2为倒角半径为1.5mm和无倒角两种情况下的迷宫式流道静压云图。由图2可知，倒角对流道压力分布有影响，尤其是倒角后面存在明显的低压区，这是因为倒角使其后面的漩涡和流道阻力变小、蒸汽的速度增大，压力随之降低。图3为径向槽数分别为10、8、6时流量随倒角半径、流道深度、流道进口和出口宽度的变化曲线。由图3可知，在给定范围内，由于流道结构复杂，计算存在一定误差，曲线存在一定波动，但总体上流量随倒角半径、流道深度、进口宽度的增大而大致呈线性增长，这是因为增加流道深度和进口宽度直接影响流通面积，从而影响流量；出口宽度的流量曲线则是前期增长较快，后期则趋于平缓，这是因为流道受进口面积小的约束，蒸汽膨胀到一定程度后就不再受出口面积的影响。综合比较而言，径向槽数目对单个迷宫式流道的流量影响不大。

图2 1.5mm倒角和无倒角时的静压云图（单位：Pa）

图3 径向槽数不同时各参数对流量的影响

    在尽量减小数值误差影响的前提下，为比较各参数对流量的影响程度，采用最小二乘法对各曲线进行线性拟合，得到各拟合曲线的斜率b值，见表2。通过比较斜率b值的大小，就可得出各参数在其变化范围内对流动的影响程度。由表2可知，在各参数的变化范围内，流道深度对流量的影响最大，进口宽度和倒角次之，出口宽度最小。

表2　各参数对流量影响程度的比较   kg/s　

    3.2.3 应力计算结果与分析

    考虑模型的对称性，计算应力时只取迷宫式盘片的部分扇形结构作为计算域。模型两侧面设置为对称约束，由于迷宫式套筒上端面与阀盖之间留有间隙，因此只需在模型下端面加一个固定约束，上端面是自由的。利用单向流固耦合方法，将导入流动计算得到的壁面静压作为载荷施加于固体域的流固边界。盘片材料为316不锈钢，依据ASME2010标准查得450℃下弹性模量为172GPa、泊松比取0.3、屈服强度Sy为179MPa。

    图4为径向槽数为8时盘片的等效米塞斯应力分布图。由于流动是内进外出，压力逐渐降低，故盘片靠近进口部分应力较大，拐角部分由于结构不连续也会产生较大的应力。根据压力容器应力分析方法和锅炉与压力容器标准，应对不同应力进行分类后校核，具体标准为一次局部薄膜应力、一次局部薄膜应力加弯曲应力均不应超过材料的屈服强度Sy。在应力最大值处的横截面上取一条应力校核路径（图4），根据等效线性法求得各应力分量值，校核结果见表3。由表3可知，盘片的应力分布不满足标准的要求，需在结构上进行优化。可能影响盘片应力分布的参数有倒角、径向槽进口宽度、盘片厚度等。以设计尺寸为基准，根据单一变量的原则，分别研究各参数对迷宫式盘片应力分布的影响。利用等效线性法，得到径向槽数不同时倒角、盘片厚度、进口宽度等参数对盘片应力分布的影响曲线见图5～7。由图5～7可知：①盘片的薄膜应力和薄膜应力加弯曲应力均随倒角半径和盘片厚度的增大而减小，这是因为设置倒角后减弱了拐角处的应力集中现象，倒角半径越大则应力集中现象越弱，同时盘片厚度的增大会增强结构的强度。在其他参数不变的情况下，若倒角半径大于1mm，则盘片强度可满足标准要求；在其他参数不变的情况下，若盘片厚度大于7mm，则盘片强度可满足要求。②应力随进口宽度的增大而增大，这是因为进口越宽，进口段介质速度越小，压力越大。在其他参数不变的情况下，若进口宽度小于2.5mm，则盘片强度可满足标准要求。由此可得，通过调整参数，优化设计，可使盘片的应力分布满足标准要求。

图4 盘片等效米塞斯应力图（单位：MPa）

表3 应力校核结果

图5 径向槽数不同时倒角半径对应力的影响

图6 径向槽数不同时盘片厚度对应力的影响

表4 各参数对应力分布影响程度的比较

图7 径向槽数不同时进口宽度对应力的影响

    通过最小二乘法对各曲线进行线性拟合，获得各拟合曲线的斜率b值，即可比较各参数在各自变化范围内对应力的影响程度，见表4。由表4可知，在各参数给定范围内，倒角对应力的影响最小，而盘片厚度和进口宽度对应力的影响较为接近。

    4 结语

    针对高温高压且工作介质为蒸汽的情况下的超临界火电厂迷宫式调节阀，研究了迷宫式流道径向槽进出口宽度、倒角半径、流道深度和盘片厚度等参数对流场和应力分布的影响规律，结果对迷宫式调节阀的设计具有参考价值。