空化效应下高压差多层套筒调节阀降压流动特性与磨损规律研究

作     者：唐柯萌 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金浩哲;刘骁飞

授予年度：2023年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 

主      题：多相流 多层套筒调节阀 降压流动特性 空化效应 磨损规律 

摘      要：多层套筒调节阀作为核电与煤化工中高参数特种调节阀的典型代表,其应用工况多变、结构复杂。高温、高压、高流速、含固体颗粒等严苛工况对调节阀的性能提出了新的要求,严重影响了设备的使用寿命,对安全生产提出了重大挑战。明确空化效应下多层套筒调节阀内的降压流动特性与磨损规律,在一定程度上可以缓解上述问题,有助于完善严苛工况特种阀门的设计理论体系。本文针对核电主给水和煤直接液化系统中新型高压差多层套筒调节阀为研究对象,开展空化效应下调节阀降压流动特性与磨损规律研究:分析了工况与结构参数对核电主给水调节阀降压流动特性与空化效应的影响;明确了工况和颗粒属性与煤液化液控调节阀降压流动特性、磨损规律和空化效应之间的关系;根据数值模拟结果提出了预防空化和磨损的建议,主要研究内容及结论包括五个方面:(1)针对两种典型应用情景下多层套筒调节阀的使用工艺,构建了空化效应下调节阀降压流动特性及磨损规律的综合数学模型,预测了两种工况下调节阀的失效机理。自主搭建了一套多层套筒调节阀降压流动特性实验装置并开展了相应实验,不同实验工况下测量的结果与数值模拟的调节阀内流体的降压规律吻合。(2)分析了不同开度和进出口压差对核电主给水调节阀内降压流动特性和空化的影响。当调节阀保持全开状态时,各级套筒内流体速度保持在约82 m/s且每层套筒提供2-3.5 MPa的压降,具有最理想的降压效果。调节阀内存在三处空化位置:第四层节流孔流道的第三级套筒内壁面处、阀座节流孔流道处和调节阀出口流道的拐角处。(3)探究了核电主给水调节阀的多层套筒结构参数和外部压力特征对多层套筒调节阀内空化的影响。采用套筒直径逐级递增方法、适当减少第三层套筒厚度、适当减小阀座流道小孔孔径和提升调节阀出口压力至0.7 MPa及以上均可在一定程度上抑制空化效应,从而预防空化失效。(4)开展了空化效应下煤液化液控调节阀内降压流动特性与磨损规律的数值模拟研究。磨损严重的位置主要出现在靠近套筒小孔流道的四周,调节阀大开度运行下,各级套筒内流体压力、速度和湍动能变化均匀。调节阀最大磨损率随颗粒直径的增加出现先增大后减小趋势,颗粒质量流量的增加会导致阀内最大磨损率先增大后减小,开度的变化导致阀内最大磨损率交替出现在不同内壁面。(5)颗粒质量流量的增大与开度减小会导致阀内蒸汽相体积的减少,阀座处减小幅度超过20%,第三级套筒内壁面蒸汽相减小幅度超过6%,颗粒大小变化对阀内空化几乎没有影响。为了有效防止阀门的空化和磨损失效,建议阀门减少小开度运行的时间,尽量维持大开度运行。本文的创新工作在于:分析了套筒流道直径、套筒厚度和阀座处小孔流道直径对核电主给水调节阀内空化效应的影响机制,奠定了调节阀结构设计优化的理论基础;明确了阀内颗粒固有属性和调节阀开度对阀内空化效应与磨损规律的影响情况,提出了基于预防空化效应的调节阀的使用建议。