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150Tz668Y-450W型最小流量调节阀液体动力噪声理论预

发布于:2015-12-28 09:49

  概述

  目前,我国火电产业中超(超)临界火电机组国产化已取得了重要进展,但作为超(超)临界火电机组关键阀门之一的最小流量调节阀一直属于第三类长期依赖进口的高端阀门,其难以实现国产化的主要问题在于:高压差时阀体振动剧烈、噪声严重,阀内部流速高,空化、气蚀对阀内件冲刷严重,并伴随严重的空化噪声。基于此,我单位联合高校深入地研究了上述问题。

  调节阀(工作介质为液体)的噪声包括机械振动噪声和液体动力噪声。机械振动噪声声源主要来自阀芯、阀杆等零件的振动,但这些噪声一般情况都不明显,除非有故障发生。液体动力噪声主要是流体流过阀门节流区产生高压降,使介质位能转变为动能,速度变大,产生湍流和涡流,从而引起阀门噪声。液体动力噪声通常分为溪流噪声和空化噪声。高压差下调节阀液体动力噪声往往会超过相关标准的限制值,需对调节阀内部结构进行改进,使其噪声值限制在规定的范围之内。但改进后的调节阀噪声为多少,需经过实验对其进行测量。而噪声的实际测量不仅需要昂贵的设备,且程序繁杂,并要做出样机后才能进行实验,延长了产品研发周期。故对调节阀所产生的液体噪声进行理论预测,为相关结构的改进提供了一定的参考,也为最小流量调节阀噪声产生机理研究、加速该种阀门国产化进程奠定了基础。

  结构特点

  150Tz668Y-450W型最小流量调节阀主要是由阀体、阀座、节流盘、迷宫式阀芯、阀盖、阀杆等部件组成。该调节阀是专门应用于超(超)临界火电机组锅炉管路系统或过热器减温水等流量调节装置中的高压降场合,工作介质多为高温水。

  该阀内采用的迷宫式多级降压节流组件是由多个迷宫式盘片采用特殊工艺制成的一体化结构,每一层单独的盘片上都由火电花刻蚀出多级拐弯的类似迷宫状的流道,流体在迷宫流道中曲折流动,可以实现多级逐步稳定降压、限制流速上升过快,从而减轻流体对阀内件的冲刷,有效防止闪蒸及气蚀危害,延长使用寿命。

  本文主要是以该型号最小流量调节阀液体动力噪声的理论预测为目标,引入CFD仿真模拟实验,对150TZ668Y-450W型最小流量调节阀内部迷宫盘片单个流道进行了数值模拟,以获得流场压力分布云图,在此基础上利用相关标准进行液体动力噪声的理论计算。

  液体动力噪声理论预测流程

  最小流量迷宫式调节阀液体动力噪声预测的具体计算流量如下图所示:

液体动力噪声理论预测流程图

  首先利用CFD软件对其进行流场数值模拟,获得迷宫流道内部压力分布云图,得到迷宫流道内部压力分布云图,得到迷宫盘片每一级进出口压力大小,再根据标注《IEC 60534-8-4-2010》中多级多流路阀内件调节阀的噪声预测公式进行噪声的理论计算。由于迷宫式调节阀其阀内件是由同一类型的迷宫盘片堆砌而成,且迷宫盘片8条流道呈中心对称排列,故可只取单个迷宫流道利用CFD软件进行内部数值模拟,得到压力场分布,进而进行噪声预测理论计算。

  最小流量调节阀迷宫盘片流场分析

  流量模型的建立及网格划分

  利用SolidWorks三维实体建模软件,对迷宫盘片建立了流道模型。应用ICEM-CFD软件对流道模型进行网格划分。由于迷宫盘片内流动状态十分复杂,采用四面体/混合网格的方式进行划分。为了计算结果更加精确,对迷宫盘片中的拐弯流道都分别进行了加密处理。下图为迷宫盘片单个流道模型网格图,网格总数达到5万左右。

迷宫盘片单流道网格图

  数值模拟计算及结果分析

  选取实际运行工况中最苛刻的一种,介质为高温水,其入口温度为138℃~187℃,取平均密度903.9kg/m3,边界条件设置为压力进口,压力出口,进出口的压力分别为41.3MPa与1.3MPa。在定常、不可压缩条件下,对流道模型中的流动在Fluent中进行数值模拟求解。

  通过模拟求解得到迷宫盘片单流道内的压力分布情况,具体结果如下图所以。

迷宫盘片单流道压力分布云图

  从上图可以看出迷宫流道中流体由外侧流至内侧,压力呈现出逐级下降的趋势,压力下降将速率均匀。阀内迷宫盘片中压力逐级稳定下降,较好的达到了分段逐级降压的预期效果。

  最小流量调节阀液体动力噪声理论预测

  从上图中获得迷宫盘片单流道每一级前后的压力大小,为最小流量调节阀噪声的预测提供相关数据。具体以第一级计算为例,其进口压力为41.3MPa,出口压力40.0MPa。根据国际电工委员会标准《IEC 60534-8-4-2010》中对于带消声阀内件调节阀噪声计算方法,已知第一级进出口压力,饱和蒸汽压为Pv=476200Pa,压力恢复系数为FL=0.85,质量流量为151.99kg/s,管道壁厚tp=0.00435m。迷宫盘片第一级噪声计算的主要步骤如下表所示。

迷宫盘片第一级噪声理论计算表

  通过计算可得迷宫盘片第一级辐射总声压级为59.17dB。其他各级采用同样的计算方法,该迷宫盘片共计55级。最后对不同级数总声压进行叠加,计算结果为:

  LpAe,lm=10lg∑100.1LpAe,lm,i=10lg(105.917+104.160+103.789+......+105.49+104.934+105.024)=71.65dB(A)

  通过叠加计算得出最小流量调节阀在阀体下游1m处辐射噪声的总声压级大小为71.65dB(A),满足标准《GBJ 87-1988工业企业噪声控制设计规范》对噪声90dB(A)的要求,故针对此工况下可以采用所设计的多级降压迷宫盘片。

  从噪声预测计算公式中可得出各种参数对液体动力噪声的影响,其中压差和速度的影响最大,速度越高,噪声越大;压差越大,噪声越大;当然流量系数、直径、壁厚、温度等因素也都会产生影响。以上的计算,为最小流量调节阀液体动力噪声理论预测提供示例,同时为调节阀内迷宫盘片的设计提供了一定的参考。

  结果

  本文针对150Tz668Y-450W型最小流量调节阀液体动力噪声的预测,应用CFD数值模拟方法及IEC最新噪声标准进行理论计算。计算得到总噪声声压级为71.65dB(A),满足标准对噪声的要求,表明多级降压迷宫盘片的结果设计合理。一方面为迷宫式调节阀结果改进、性能提升提供了理论依据,另一方面为迷宫式调节阀噪声预测提供了一种新的方法,为加快该类型阀门国产化进程奠定了基础。

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