迷宫碟片式调节阀降压流动特性及噪声空化规律研究

摘要

迷宫碟片式调节阀作为一种新型多级连续降压的高性能特种控制阀，其利用套筒碟片上的迷宫流道将高压差能量分级耗散于多级节流流阻中，能够有效预防高压差、高速流、高温等极限工况导致的冲蚀、空化和噪声等问题，被广泛地应用于火电、核电、煤化工、石油化工等过程工业工艺中。由于核心节流元件迷宫流道复杂的结构设计，其多级降压能量耗散机理、噪声空化变化规律和结构设计优化准则尚未形成系统的理论体系，无法有效指导迷宫碟片式调节阀的研制和应用。因此，开展其关键应用技术和主要失效形式的研究迫在眉睫。　　（1）针对迷宫碟片式调节阀在空分装置中过热蒸汽放空阀和火力发电中液态水最小流量阀普遍应用的工艺和工况，采用CFD数值模拟的方法分别研究了不同开度下蒸汽放空阀和最小流量阀及其单个迷宫流道的降压流动特性，对比了可压缩过热蒸汽和不可压缩液态水介质在迷宫碟片式调节阀内部流动的异同。结果表明：迷宫碟片式调节阀的压降主要由迷宫流道负责完成的，水平流道呈现出断续的“V”形降压规律，竖直流道呈现出连续的“Z”形降压规律，单个迷宫流道可以替代和表征整台迷宫阀的数值模拟。　　（2）基于迷宫流道的结构设计优化，对比分析了扩张系数、流道级数、宽度、深度、长度、入口方式等不同迷宫流道结构参数下过热蒸汽的压力、速度和流量的变化规律。结果表明：迷宫流道的级数越多，降压愈加平稳，流道内的整体流速就越低，温差就越小；迷宫流道的流量主要依靠深度进行调节；双入口流道既能保证充足的流量又能降低流道的入口流速，防止套筒碟片被冲散。　　（3）采用LES大涡模拟和Lighthill声类比法FW-H方程，讨论了蒸汽放空阀内部气动噪声声源产生的位置、远场噪声的指向性分布和频谱特性。结果表明：蒸汽放空阀的气动噪声主要来源于迷宫流道和阀芯腔内部过热蒸汽的不规则扰动，且远场噪声的总声压随着距离的递增呈现指数降低。　　（4）开展了液态水迷宫流道的降压特性实验，验证了数值模拟方法的准确性。基于验证后的数值模型，探寻了最小流量阀空化产生的位置，分析了不同出口压力下迷宫流道的空化演变过程。对比了蒸汽放空阀和最小流量阀流阻系数和流量系数的变化差异。结果表明：不同工况下实验测量和数值模拟获得的降压曲线的变化规律完全相同；空化主要发生在迷宫流道出口内侧壁面；迷宫碟片式调节阀的流量特性服从线性。

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