胡宗成，高怡秋，楊 懿

(1.海軍駐上海第七一九研究所軍代表室，湖北 武漢 430064;2.中國船舶重工集團公司第七○四研究所，上海 200031)

0 引言

冷凝器是凝汽式汽輪機的重要組成設備，在熱力循環(huán)中起到冷源的作用。冷凝器水箱中水位的高低直接影響到冷凝器的工作性能，進而影響整個蒸汽動力裝置的熱經濟性和安全可靠性。水位過高，將減少蒸汽的冷卻面積，影響冷凝效果，從而引起真空度的下降，降低汽輪機的有效焓降以及整機的熱效率;水位過低，將影響凝水泵的工作性能，當凝水泵的吸入壓力過低時，將發(fā)生氣蝕現象，嚴重時會損壞設備。因此，凝水系統(tǒng)中必須設置有水位調節(jié)裝置，以使冷凝器水位維持在合理范圍內［1］。

水位調節(jié)閥是水位調節(jié)裝置中的重要設備。在傳統(tǒng)的設計與計算中，由于閥門結構復雜，其流量系數不易獲得，為簡化計算過程，工程上通常將流量系數取為常數［2－3］。近年來隨著計算流體力學技術及CFD數值模擬軟件的不斷發(fā)展，通過數值方法求解流量系數已成為當今工程設計的重要手段［4－6］。

本文通過對流量系數的理論公式推導，得到了水位調節(jié)閥流量系數的計算公式，采用數值模擬方法，研究不同參數對流量系數的影響。通過理論公式計算結果與數值模擬值的對比，驗證了水位調節(jié)閥流量系數的計算結果，并為數值模擬方法求解流量系數提供了理論支持。

1 水位調節(jié)閥及系統(tǒng)組成

本次研究對象為船用凝汽式汽輪機，凝水系統(tǒng)如圖1所示，主要包括冷凝器、凝水泵、水位調節(jié)閥等設備。汽輪機排汽在冷凝器內部經冷卻后凝結為凝水并進入冷凝器水箱，水箱底部設有管路聯接至凝水泵，凝水經由凝水泵增壓后進入水位調節(jié)閥。水位調節(jié)閥根據汽輪機排汽量的大小調節(jié)閥門開度，改變排水管路與回水管路的流量分配，使冷凝器水箱水位保持恒定。

圖1 凝水系統(tǒng)示意圖Fig.1 Condensate water system

水位調節(jié)閥采用三通結構，設有排水、回水兩路出口，排水出口聯接至系統(tǒng)熱井，用于排走多余的凝水;回水出口聯接至冷凝器，可將凝水送回至冷凝器水箱內。水位調節(jié)閥原理如圖2所示，當汽輪機排汽量增加時，閥位升高，排水量增大，回水量減小;當汽輪機排汽量減少時，閥位降低，排水量減小，回水量增大。

對于回水管路，由于冷凝器內的真空環(huán)境，加之管路較短，因此其背壓較低;而排水管路由于管路較長、管阻較大，因此其背壓較高。由于兩路出口背壓的不同，當水位調節(jié)閥開度改變時，凝水管路的阻力特性將發(fā)生改變。

在汽輪機工況變更時，凝水系統(tǒng)的特性變化主要由水位調節(jié)閥引起，并使凝水泵的揚程和流量隨之改變，而凝水泵參數的變化又會改變水位調節(jié)閥入口的壓力，造成閥流量系數與阻力特性的改變，二者相互關聯又相互影響。因此在設計時，凝水系統(tǒng)的匹配特性必須給予充分的考慮。其中不同工況下水位調節(jié)閥的特性計算，特別是流量系數的計算，是整個凝水系統(tǒng)匹配特性研究的關鍵問題。

圖2 水位調節(jié)閥原理圖Fig.2 Principle of level control valve

2 流量系數的特性

2.1 流量系數的公式推導

對于水位調節(jié)閥而言，根據伯努利方程，有流量公式

式中:Cx為不同開度水位調節(jié)閥的流量系數;F1為調節(jié)窗口面積;ΔP為調節(jié)閥總壓降;ρ為凝水的密度。

對于調節(jié)窗口，如圖2中的排水或回水窗口，有流量公式

式中:μ為調節(jié)窗口的流量系數，取0.78～0.8;F1為調節(jié)窗口面積;ΔP1為調節(jié)窗口壓降;ρ為凝水的密度。

對于水位調節(jié)閥，在凝水流過閥體內部時，存在若干處節(jié)流與損失過程，每一處節(jié)流與損失過程有流量公式

令所有節(jié)流與損失過程流量系數μ相等，根據流量守恒方程:

流過調節(jié)閥的總壓降為各個節(jié)流與損失過程的壓降總和:

由式(9)可以看出，當F2，F3，…，Fn保持不變，F1增大時，Cx減小;F1減小，Cx增大時，二者為反比關系。

對于本次計算的水位調節(jié)閥，在整個流動過程中，壓降主要產生于調節(jié)窗口處以及調節(jié)閥出口處，忽略其余沿程阻力，則根據式(8)，可得調節(jié)窗口處的壓降

式中:ΔP為調節(jié)閥總壓降;Fx為調節(jié)窗口面積;Fc為調節(jié)閥出口處面積

令

則在考慮調節(jié)閥出口處壓力損失時，流量系數

面積比f表征了調節(jié)窗口壓降占整個調節(jié)閥壓降的比值，面積比f越大，調節(jié)窗口壓降比值越小，當面積比f=1時，調節(jié)閥全部壓降集中在調節(jié)窗口處。

2.2 流量系數的數值模擬與分析

2.2.1 流量系數的計算方法

通過CFD數值模擬軟件，對不同開度下水位調節(jié)閥的計算模型進行計算。給定調節(jié)閥進出口壓力，可得到調節(jié)閥的實際流量。閥流量系數的計算公式為:

式中:Qx為不同開度下數值模擬所得實際流量;Fx為不同開度下調節(jié)窗口面積;ΔP為調節(jié)閥總壓降;ρ為凝水的密度

2.2.2 不同開度對流量系數的影響

圖3分別為排水以及回水工況時不同開度下的水位調節(jié)閥流量系數，二者變化趨勢基本一致，在開度較小，窗口面積不大時，流量系數較大;在開度不斷增大，窗口面積增加時，流量系數逐漸減小;在最大開度時二者的流量系數僅為0.56左右。根據式(9)，閥流量系數的變化是由于在開度增大、窗口面積增加時，沿程與閥體內部的流動損失增大而引起的。

圖3 不同開度的流量系數Fig.3 Flow coefficient in different lift

2.2.3 不同壓差對流量系數的影響

以100%開度為例，分別對排水工況和回水工況的流量系數進行計算，保持入口壓力不變，改變出口壓力，得到不同壓差下水位調節(jié)閥的流量系數，如圖4所示。

圖4 排水以及回水的流量系數Fig.4 Flow coefficient of discharge and back

由圖4可知，隨著壓差的減小，閥的流量系數略有降低，當壓差減小到一定程度時，呈加速下降趨勢。這是由于流量系數為閥門雷諾數的函數，當雷諾數大于一定值時，閥內部流動為紊流狀態(tài)，此時隨雷諾數增加，流量系數基本穩(wěn)定［7］?？傮w而言，從工程計算的角度可認為流量系數不隨壓差的變化而改變，即在開度一定時流量系數為恒定值。

2.3 不同計算方法的對比

圖5與圖6分別為采用公式計算以及數值模擬所得水位調節(jié)閥流量系數的對比。根據數值模擬計算結果，對于排水窗口，在全開位置時通流面積最大，面積比f的值最大，此時窗口處的壓降占整個調節(jié)閥壓降的比值較小，由于沿程以及閥體內部的流動損失的作用，閥的流量系數最小;當窗口面積逐漸減小時，沿程以及閥體內部的流動損失對閥流量系數的影響減小，流量系數逐漸增大;當閥門接近于關閉狀態(tài)時，調節(jié)閥的壓力損失集中于排水窗口處，此時面積比f→1，閥的流量系數接近于調節(jié)窗口的流量系數，Cx=0.78～0.8。回水窗口的流量特性與排水窗口基本相同，二者符合同一變化規(guī)律。

圖5 排水工況流量系數Fig.5 Flow coefficient in discharge condition

圖6 回水工況流量系數Fig.6 Flow coefficient in back condition

圖5和圖6顯示，當調節(jié)窗口面積越小時，計算結果與數值模擬值越吻合;當窗口面積最大時，由于調節(jié)窗口處的壓力損失占整個閥損失的比值較小，流量系數的計算值受其他部位損失的影響較大，而在計算中未能將閥內的流動損失全部計算進去，因此誤差相對較大。

2.4 凝水系統(tǒng)的流量計算

圖7和圖8分別給出了采用固定流量系數(C=0.62)以及變流量系數下水位調節(jié)閥的流量特性曲線。由圖中可以看出，在采用變流量系數計算時，排水流量以及回水流量不再是各自窗口面積的單一函數。當窗口面積增大時，由于流量系數的減小，排水流量以及回水流量均較固定流量系數的計算結果偏小，總流量的變化幅度則有所降低。

圖7 采用固定流量系數的計算結果Fig.7 Result under constant flow coefficient

圖8 采用變流量系數的計算結果Fig.8 Result under change flow coefficient

3 結語

1)對流量系數公式進行推導，得到了水位調節(jié)閥流量系數的理論計算方法，得出流量系數是窗口面積與出口面積之比的函數;

2)通過數值模擬方法得到凝水系統(tǒng)水位調節(jié)閥的流量系數以及變化趨勢。分析不同開度以及不同壓差下水位調節(jié)閥流量系數的變化規(guī)律;

3)根據不同開度下流量系數的數值模擬結果，驗證了理論計算方法的正確性，同時為數值模擬結果提供了理論依據;

4)根據本次計算所得流量系數，對凝水系統(tǒng)的流量進行重新計算，得到了更加合理的計算結果。

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