给水泵试验台用高压调节阀设计

    1 概述

    给水调节阀作为流量调节与控制，在电力、石化、机械等多种行业中应用十分广泛，但是国内用于水泵试验的高压调节阀较少。目前，高扬程及大流量水泵性能试验中一般都是采用直行程套筒阀或节流阀（包括多个阀门的组合形式）等。直行程套筒阀流量调节范围较小（一般为20%～80%额定流量），节流阀在小流量时振动噪声大及流量稳定性差。若采用多个阀门组合形式调节流量，可能导致成本增加及实际操作难度加大。参考国内外相关资料，结合某大型核电应急给水泵试验要求，设计了用于高压调节的新型调节阀。经试验台测试回路进行水泵流量调节测试，新型调节阀具有流量调节范围广，调节精度高，大压差小流量时稳定性好及噪声振动小等特点。

    2 设计计算

    （1）参数

    依据某大型核电应急给水泵试验台对测试回路要求，需实现5%～100%范围额定流量的平稳调节。在调节阀进口压力＞10.0MPa且阀门任何开度情况下，调节阀出口压力≤0.5MPa。阀门在调节行程范围内，噪声值需低于试验过程中试验台产生的噪声，阀门振动值不高于试验许用值。

    （2）结构特点及工作原理

    调节阀采用阀瓣沿手轮中心线直行程的角式通流结构（图1），其主要部件有手轮、阀杆、阀瓣、阀座、阀体及进口导流管等，通流介质通过阀瓣与阀座之间的环形通流间隙实现对其流量的调节。高压测试水流经过进口导流直管冲击阀瓣，由阀瓣改变流向后经阀瓣与阀座之间的环状间隙进入阀体腔室，在腔室内混流后由阀门出口排出。旋转手轮使阀瓣沿中心线移动，阀瓣与阀座之间的环状间距发生改变，这样对水产生不同程度的节流，从而达到对测试水流量的调节。由于阀瓣开启高度小，阀杆螺纹采用精加工细牙螺纹，这样在旋转手轮进行流量调节时可以实现精确控制。

    阀杆与阀瓣为相互独立的分体结构。阀座经过过盈配合镶嵌在阀体基座上。阀座及阀瓣密封处为堆焊的硬质合金，可以有效地抵制在调节阀高速水流冲刷过程中对节流密封面的冲刷。调节阀水流进口端增加一段直导流管，可以尽量保证测试水进入节流环状间隙前为截面等速分布，这样水流可以均匀的从圆形节流间隙通过，提高了节流后水流的稳定性，也可以有效的减少介质流不均匀对圆形节流面的局部冲刷，延长阀门的使用寿命。

1.手轮2.阀杆3.阀瓣4.阀体5.阀座6.进口导管

图1 新型高压调节阀

    阀门在高压小流量情况下，阀瓣与阀座之间的环状间隙比较小，经过此间隙的水流速度较高，可能会出现液体压力低于此刻的汽化压力。流体急剧汽化形成微小气泡，随后流速变慢，液体压力升高到大于汽化压力，气泡形成空虚，从而导致阀门汽蚀。阀门内腔分为2个腔室（图2）。腔室Ⅰ可以有效地避免阀门汽蚀对阀体的侵蚀，延长阀门的使用寿命。腔室Ⅱ流体混合区，经过节流间隙的流体在腔室Ⅱ进行混合后由阀门出口导出。

1.腔室Ⅰ 2.腔室Ⅱ

图2 调节阀局部构造及尺寸

    （3）阀瓣流通面积及开启高度

    按照水泵试验最大流量确定阀瓣通流面积F和开启高度H。水泵最大流量Q=190m³/h。

        （1）

        （2）

    式中  F———阀瓣通流面积，m²

    Q———水泵最大流量，m³/h

    H———阀门开启高度，mm

    μ———流量系数（μ=0.5）

    ΔP———阀门进出口压差，MPa

    ΔP=P_j－P_c=10.5MPa

    P_j———阀门进口压力（水最大流量下扬程H=1100m，P_j=11.0），MPa

    P_c———阀门出口压力（P_c=0.5），MPa

    ρ———阀出口水密度（常温20℃时，ρ=985），kg/m³

    D_t———阀座通道直径（D_t=44），mm

    取阀瓣最大设计开启高度H=27mm。

    3 试验数据分析

    调节阀安装在某大型核电应急汽轮机给水泵试验台闭式测试回路上（图3），试验台所有测量数据为计算机数采系统采集。试验台主要功能是测试核电应急给水泵性能参数，也可同时测试新型调节阀的流量调节功能及流量特性。阀门需调节的流量点均按照水泵性能测试所规定的流量点进行调节，并记录阀门的开度值、阀门的前后压力值及流量稳定后流量波动的上下极值，以确定各流量点的波动情况，检验该调节阀流量调节的稳定性。在测试过程中，为方便计算对比，设定调节阀关闭点的开度为0，水泵性能测试最大流量点所对应的调节阀开度值为100%。水泵由汽轮机驱动，汽轮机转速采用气动调节，水泵在整个试验过程中转速为8000±5r/min，水泵转速基本恒定，水泵转速波动对阀门测试的影响可以忽略。

1.高压调节阀2.流量计3.换热器

4.补水阀5.闸阀6.核电应急泵

图3 试验台测试回路

    从新型调节阀测试参数（表1）和流量特性曲线（图4）可以看出，新型调节阀在水泵试验过程中流量调节平缓，调节范围比较大，基本可以实现5%～100%额定流量的大范围稳定调节，阀门前后压力较稳定，阀后压力最高小于0.5MPa，低于阀后其他承压设备的安全压力，保证了阀后设备的正常运行。与普通类型高压节流阀相比，在小流量情况下，新型调节阀流量波动较低（图5）。在大流量调节时，普通节流阀流量波动略高于新型调节阀。在安装状态基本相同的情况下，新型调节阀振动及噪声值明显低于普通节流阀。

图4 调节阀流量特性曲线

表1 调节阀测试参数

1.普通调节阀 2.新设计调节阀

图5 调节阀流量波动对比

    4 结语

    经过检测，新型高压调节阀流量调节稳定，调节范围大，振动噪声小，操作简单灵活，可以选用电动或手动两种驱动方式，适用于各类高扬程水泵试验台的流量调节，节约成本，减少了操作人员。