结构参数对提升阀性能的影响

范宜霖 张继伟 胡春艳 李树勋

1.合肥通用机械研究院，合肥，230031 2.兰州理工大学石油化工学院，兰州，730050



结构参数对提升阀性能的影响

范宜霖1张继伟1胡春艳1李树勋2

1.合肥通用机械研究院，合肥，230031 2.兰州理工大学石油化工学院，兰州，730050

针对电站锅炉中蒸汽吹灰器低能耗、高效率的要求，基于浸入实体方法，研究了提升阀阀座入口收缩角α及出口扩大角β对提升阀开启过程动态特性的影响，获得了不同收缩角及不同扩大角所对应的流量特性曲线。结果表明：α由20°增大至50°时，阀门小开度下的出口流量增加了23%；β由0°增大至15°时，阀门大开度下出口流量增加了56%；结构允许范围内，增大收缩角可提高阀门小开度下的流量，增大扩大角可提高阀门大开度的流量。

提升阀；阀座；数值模拟；流量

0 引言

吹灰器提升阀是锅炉蒸汽吹灰器的重要组成元件，通常位于蒸汽吹灰器的末端，提升阀出口端通过法兰与吹灰器内管相互连接。蒸汽吹灰器运行过程中，通过控制阀门的启闭向吹灰器头部吹灰管提供吹扫介质。性能良好的吹灰器提升阀不仅可以保障蒸汽吹灰器的稳定运行，同时可以提高锅炉系统的经济性和安全性。

现有锅炉蒸汽吹灰器的研究主要集中在吹灰器中喷嘴的设计和整个系统的吹灰优化方面[1-3]，针对蒸汽吹灰器中提升阀的研究较少，且研究尚未涉及提升阀的动态特性及内部流道的结构优化。

1 提升阀结构及原理

蒸汽吹灰器提升阀如图1所示。蒸汽吹灰器提升阀位于整套装置的最末端，在吹灰器停机状态下，弹簧预紧作用力克服阀瓣及阀杆重力，使阀瓣与阀座紧密贴合，阀门处于关闭状态。蒸汽吹灰器工作时，吹灰器中与启动臂相连接的执行机构前后移动并带动启动臂克服弹簧预紧力，使阀杆向下运动，开启阀门。阀门工作过程中，可通过调节调压盘高度及改变阀门开度，使出口流量达到所需的范围。

1.启动臂 2.弹簧 3.调压盘 4.阀座 5.柔性阀瓣 6.阀体 7.阀杆 8.填料室图1 提升阀结构Fig.1 Structure of poppet valve

2 数值模拟基础

2.1 浸入实体法

浸入实体法是基于ANSYS CFX的一种无需网格变形或重构的动网格计算方法，此方法可以模拟刚性固体在流体域中的运动，计算模型包含一个位于流体域之中的浸入实体域，用来表征刚性固体的形状、位置、方向和速度。计算过程中，浸入固体域与流体域相互重叠，通过施加动量源项的方法将浸入实体作为流动方程的动量源，从而驱动流体速度达到与固体速度相匹配的目的。通常，浸入实体域的表面网格质量必须非常好，以求解边界面的形状，而流体域的网格可以相对粗糙。

图2是浸入实体法的原理图，图中虚线代表浸入固体边界，剖面线填充区域为浸入固体域表面穿透的单元，未填充区域表示直接和穿透单元相邻的单元。浸入实体法基本公式如下[4-6]：

(1)

(2)

y*=u*Δy/υ

(3)

y*=max(y*,11.06)

(4)

u+=lny*/κ+C

(5)

(6)

(7)

利用式(1)～式(7)，可根据浸入固体域的速度得到流体域的速度。

图2 浸入实体边界原理图Fig.2 Schematic of immersed solid

2.2 模型的建立与网格划分

选取公称直径DN=100 mm的阀门进行仿真模拟实验，根据提升阀结构参数，在Solidworks中分别建立流体域及浸入实体域模型，图3所示为流体域及浸入实体域三维模型，流体域为阀门整体流道部分，实体域为阀门、阀芯及阀杆部分。

(a)流体域模型剖视图(b)浸入实体域模型图3 流体域及浸入实体域三维模型Fig.3 3-D model of fluid and immersed solid

将模型分别导入ICEM CFD中进行网格划分，计算过程中需求解浸入实体域边界面的形状，故对阀芯及阀杆部分划分高质量结构化网格，并以全开状态下的质量流量为衡量标准进行网格无关性检验[7-8]。图4为流体域及浸入实体域网格划分示意图。

(a)流体域网格划分(b)浸入实体域网格划分图4 流体域及浸入实体域网格划分Fig.4 Grid of fluid and immersed solid

2.3 阀座结构示意

本文所研究的吹灰器提升阀阀座内流道采用文丘里流线设计。图5为阀座结构示意图，其中，α为阀座进口收缩角，β为阀座出口扩大角。

(a)普通阀座结构(b)本文所研究阀座结构图5 阀座结构Fig.5 Structure of valve seat

3 性能影响研究

3.1 收缩口角度影响分析

本文选取的公称直径为100 mm，提升阀设计压力p=8 MPa，设定工作介质为空气，介质温度为25 ℃，入口压力p1=5 MPa，出口压力p2=0.1 MPa。

根据提升阀阀芯在真实工况下的启闭特征，运用ANSYS CFX中的CEL程序语言编写阀门开启过程中阀芯的运动位移曲线。图6所示为蒸汽提升阀开启过程中阀芯的位移曲线，其中阀芯最大位移15 mm。

图6 阀芯位移曲线Fig.6 Displacement of valve core

建立进口收缩角α分别为20°、30°、40°、50°，出口扩大角β恒定为0°的4种流道模型进行数值模拟实验。通过对4种模型进行仿真模拟实验，得到不同进口收缩角下阀门开启过程的出口流量变化曲线，如图7所示，不同收缩角度下0.05 s时的流量如表1所示。

图7 不同α下阀门开启过程流量曲线Fig.7 Flow curve of different α during opening

α(°)20304050qm(kg/s)0．780．830．910．96

对比图7及表1中数据可见，阀门小开度下即0～0.2 s时，50°缩口的流量曲线位于最上方，0.05 s时，流量达到0.96 kg/s；20°缩口的流量曲线位于最下方，0.05 s时，流量达到 0.78 kg/s；0.2～0.6 s时，不同缩口角度流量曲线逐渐趋于一致；0.6～1 s时，不同缩口角度流量曲线未见明显的差别，阀门最大开度下的流量值基本一致[9-10]。

3.2 扩口角度影响分析

建立扩口角β大小分别为0°、5°、10°、15°，进口收缩角α恒定为0°的4种流道模型进行数值模拟实验。通过对4种模型进行仿真模拟实验，得到不同出口扩大角下阀门开启过程的出口流量变化曲线，如图8所示，不同扩大角下1.0 s时的流量如表2所示。

图8 不同β下阀门开启过程流量曲线Fig.8 Flow curve of different β during opening

结合两者可以看出，阀门小开度下即0～0.3 s时，10°扩口的流量曲线位于最上方，4条曲线所示的流量相近；随后，10°、15°扩口曲线出现大幅阶跃性增长，0.7 s后，二者所对应的流量不再增加，并在0.9 s左右分别达到流量最大值2.67 kg/s和2.77 kg/s ；0°、5°扩口曲线在0.3 s后的增幅较小，在0.7 s后不再增加，并分别在0.9 s达到各自的最大流量值1.77 kg/s和1.99 kg/s。不同扩口角度流量曲线变化趋势一致但变化幅度差异较大。

3.3 优化阀座与常规阀座对比分析

通过对不同收缩角及扩大角的模型进行模拟计算及理论分析，在考虑阀座尺寸限制并确保阀座结构强度的基础上，最终选取α为50°、β为10°建立优化流道模型，并将其与收缩角α、扩大角β同为0°的普通阀座结构进行对比[11-13]。

图9 优化后阀座与普通阀座流量对比Fig.9 Comparison of optimized valve seat and ordinary valve seat

图9所示为优化阀座结构与普通阀座结构下的阀门流量，可以看出，阀门微启时，二者的流量基本一致；随着阀门开度的增大，流量也呈现出大幅的增加。在整个阀门的开启过程中，优化阀座结构的流量均大于普通流道结构，且平均的流量增幅百分比基本维持在50%左右。

4 结论

(1)提升阀阀座流道入口收缩角α对提升阀小开度下的出口流量具有一定影响，对大开度下的流量没有影响；小开度下，随着收缩角α的增大，出口流量也相应增大。

(2)提升阀小开度下，随着阀座流道出口扩大角β的增大，出口流量呈小幅增加趋势；大开度下，随着阀座流道出口扩大角β的增大，出口流量呈现出大幅度的增长。

[1] SREB M. Integrated Life Synthesis for Boiler Sootblowers in Fossil Power Plants[J]. Computers and Structures, 1997, 63(6): 1043-1051.

[2] 朱予东,阎维平,欧宗现. 熵产分析法在锅炉吹灰优化模型中的应用[J].中国电机工程学报,2008,28(8):13-17. ZHU Yudong, YAN Weiping, OU Zongxian. Application of Entropy Generation Analysis on Research of Sootblowing Optimization for Boiler[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(8):13-17.

[3] 杨卫娟,周俊虎,刘建忠,等. 600MW机组锅炉吹灰器优化投用分析[J].热力发电, 2005(1):24-26. YANG Weijuan, ZHOU Junhu, LIU Jianzhong, et al. Analysis of Sootblowing Optimization for Boiler for 600MW Unit[J]. Thermal Power Generation, 2005(1): 24-26.

[4] ANSYS Inc. Release 15.0 Documentation for ANSYS [G]. Canonsburg, PA, USA, ANSYS Inc., 2015.

[5] 谢龙汉，赵新宇，张炯明.ANSYS CFX流体分析及仿真[M]. 北京：电子工业出版社, 2010． XIE Longhan, ZHAO Xinyu, ZHANG Jiongming. ANSYS CFX Fluid Analysis and Simulation[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry ,2010.[6] 郭昌盛，林腾蛟，吕和生，等.基于浸入固体法的湿式离合器调压阀流场数值仿真[J]. 机械研究与应用, 2013(3): 1-3. GUO Changsheng, LIN Tengjiao, LYU Hesheng, et al. Numerical Simulation of Fluid in the Pressure Regulating Valve of Wet Clutch Based on Immersed Solids Method[J]. Mechanical Research & Application,2013(3):1-3.

[7] 纪兵兵，陈金梅．ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例详解[M]．北京：水利水电出版社，2012． JI Bingbing, CHEN Jinmei. ANSYS ICEM CFD Meshing Technology Example[M]. Beijing: China Water & Power Press,2012.

[8] 李树勋，王虎斌，范宜霖，等.氮气式水击泄压阀初启阶段动态特性研究[J]. 华中科技大学学报(自然科学版),2016,44(7):10-13. LI Shuxun, WANG Hubin, FAN Yilin, et al. Study on Dynamic Characteristics of Nitrogen Surge Relief Valve and in Opening Process[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science), 2016,44(7):10-13.

[9] SONG X G, CUI L, PARK Y C. Three-dimensional CFD Analysis of Spring-loaded Pressure Safety Valve from Opening to Re-closure[C]//Proceedings of the ASME 2010 Pressure Vessels and Piping Division/K-PVP Conference. Washington DC: ASME, 2010:295-303.

[10] 刘亚俊,唐电,魏华刚.清洗机斜盘轴向柱塞泵流道的流场仿真与结构优化设计[J]. 中国机械工程, 2013, 24(17): 2358-2361. LIU Yajun, TANG Dian, WEI Huagang. Flow Field Simulation and Structure Optimal Design for Passage in Swash Plate Axial Piston Pump of Pressure Washer[J]. China Mechanical Engineering, 2013, 24(17): 2358-2361.

[11] 李树勋，范宜霖，叶琛，等.基于改进设计的平衡阀开孔型线优化及试验[J]. 浙江大学学报(工学版), 2015,49(5):908-915. LI Shuxun, FAN Yilin, YE Chen, et al. Optimization and Text for Opening Profile Line of Balance Valve Based on Improved Design[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science) 2015,49(5):908-915.

[12] TAO G, CHEN H Y, J Y Y. Optimal Design of the Magnetic Field of a High-speed Response Solenoid Valve [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 129(1/3): 555-558.

[13] 弓永军，周华，杨华勇.结构参数对先导式纯水溢流阀性能的影响[J]. 浙江大学学报(工学版),2006,40(5):869-873. GONG Yongjun, ZHOU Hua, YANG Huayong. Properties of Pilot Operated Water Hydraulic Relief Valve with Different Structure Parameters[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science) , 2006,40(5):869-873.

(编辑 张 洋)

Influences of Structural Parameters on Properties of Poppet Valves

FAN Yilin1ZHANG Jiwei1HU Chunyan1LI Shuxun2

1.Hefei General Machinery Research Institute,Hefei,2300312.College of Petrochemical Technology,Lanzhou University of Technology,Lanzhou,730050

For the requirements that steam soot blowers of utility boiler should have high efficiency and low cost, based on immersed solid method, the influences of shrinkage angleαand expansion angleβon the opening dynamic characteristics were studied, and the flow curves of different shrinkage angles and different enlargement angles were obtained. The results show that flow rate increases 23% at the small opening whenαincreases from 20° to 50°, flow rate increases 56% at the large opening whenβincreases from 0° to 15°. Increasing shrinkage angle may improve the flow rate at the small opening, and increasing expansion angle may improve the flow rate at the large opening within the ranges of the structure.

poppet valve； valve seat； numerical simulation； flow rate

2016-09-29

TK175

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.14.013

范宜霖，男，1989年生。合肥通用机械研究院助理工程师。主要研究方向为控制类阀门应用及动态特性等。发表论文6篇。E-mail:fyl527626@163.com。张继伟，男，1978年生。合肥通用机械研究院高级工程师。胡春艳，女，1986年生。合肥通用机械研究院助理工程师。李树勋，男，1973年生。兰州理工大学石油化工学院教授。