Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности конструкции регулирующей арматуры клеточного типа 15
2. Моделирование гидравлики осесимметричного регулирующего клеточного клапана 16
2.1. Описание объектов моделирования 16
2.2. Математическая модель гидродинамических процессов 18
2.3. Конечно-элементная модель проточной части клапана 21
2.4. Достоверность результатов моделирования 23
2.5. Критерии оценки гидравлических характеристик клапанов 32
Выводы 33
3. Исследование гидродинамики регулирующего осесимметричного клеточного клапана 34
3.1. Исходные эксплуатационные параметры клапанов 34
3.2. Гидродинамика регулирующего осесимметричного клеточного клапана ДуЗ 00
3.3. Экспериментальное исследование расходной характеристики регулирующего осесимметричного клеточного клапана ДуЗ00
3.4. Гидродинамики клапана со щелевой перфорацией сепаратора 48
3.5. Анализ движения твердых частиц в потоке 57
Выводы 65
4. Пульсации потока и акустика 67
4.1. Помпаж в клапане с равномерной перфорацией сепаратора 67
4.1. Пульсации потока в клапане типа «Диск» 75
4.2. Акустика 80
Выводы 81
Общие выводы 82
Списокиспользованных источников 84
- Описание объектов моделирования
- Критерии оценки гидравлических характеристик клапанов
- Экспериментальное исследование расходной характеристики регулирующего осесимметричного клеточного клапана ДуЗ00
- Пульсации потока в клапане типа «Диск»
Введение к работе
Актуальность работы. Регулирующая и дроссельно-регулирующая арматура предназначена для изменения расхода рабочих сред и в общей номенклатуре энергетической арматуры занимает исключительно важное место, обеспечивая условия нормального функционирования оборудования ТЭС и АЭС и трубопроводного транспорта. Регулирующая арматура обеспечивает регулирование потоков рабочих сред и тем самым участвует в обеспечении как стабильности рабочих параметров системы в номинальных режимах, так и нормального протекания переходных режимов. Условия её работы оказываются весьма сложными, так как при изменении положения регулирующего органа изменяется перепад давления на клапане, форма проходного сечения и скорости среды в проточной части. Конструктивная реализация регулирующей арматуры выражается в виде шиберных задвижек и клапанов: шаровых, конусных, цилиндрических, односедельных, двухседельных, клеточных. Регулирующий клапан часто является самым важным и дорогостоящим элементом контура регулирования. Для обеспечения высокой надежности регулирующей арматуры, уменьшения ее энергоемкости, повышения точности регулирования существует острая необходимость в разгруженных регулирующих клапанах нового поколения, не имеющих ограничений по объёмному расходу среды и перепаду давления, с заданным быстродействием, с нерегулируемым расходом менее 0,1 % от номинального, с возможностью работать на загрязнённой среде без заклинивания, с минимальной потребляемой мощностью сервопривода, отсутствием условий для щелевой эрозии, надежных и простых по конструкции, не требующих технического обслуживания в межремонтный период. Среди такой арматуры особое место занимает регулирующая арматура клеточного типа, эксплутационные показатели которой отличаются надежностью, безотказностью и экономичностью. В России только в конце 90-х годов начали выпускаться регулирующие клапаны этого типа. Однако при одинаковых типоразмерах и параметрах эксплуатации среди клеточных клапанов наибольшую пропускную способностью и наилучшие массогабаритные показатели имеет осесимметричные клапаны. В России регулирующие осесимметричные клапаны клеточного типа не производились. Создание работоспособного регулирующего осесимметричного клеточного клапана с высокими эксплуатационными характеристиками невозможно без достоверной и точной информации о гидродинамике потока в клапане.
Целью научной работы является повышение надежности и эффективности работы регулирующей арматуры ТЭС и АЭС путем исследования гидродинамики потока в клапане и расчетного обоснования оптимальной конструкции регулирующего узла регулирующих осесимметричных клеточных клапанов.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач: исследованием на моделях распределения полей давлений и скоростей
потока в регулирующих осесимметричных клеточных клапанах;
определением величины пропускной способности регулирующих осесимметричных клеточных клапанов в виде Kv = f(Q,AP,P,p,T); определением значения пропускной характеристики регулирующих осесимметричных клеточных клапанов в зависимости от профиля проходного сечения седла;
определением геометрических параметров элементов регулирующих осесимметричных клеточных клапанов, которые оказывают наибольшее влияние на его пропускную способность;
определением гидродинамических нагрузок на рабочие органы регулирующих осесимметричных клеточных клапанов в рабочих и критических режимах;
исследованием движения твердых частиц в потоке регулируемой среды и определением областей возникновения и скорости язвенной эрозии в регулирующих осесимметричных клеточных клапанах. Положения диссертации, выносимые на защиту и их научная новиз-
на:
Впервые, на основе разработанных конечно-элементных моделей, определены распределения полей давлений и скоростей потока в регулирующих осесимметричных клеточных клапанах для потоков капельных жидкостей и газов при температуре до 180 С и давлении до 16 МПа в трубопроводах ТЭС и АЭС.
Впервые определены гидродинамические нагрузки на рабочие органы регулирующих осесимметричных клеточных клапанов в рабочих и критических режимах движения потоков рабочей среды в трубопроводах ТЭС и АЭС.
Впервые получены количественные оценки величины влияния элементы геометрии седла осесимметричного клеточного клапана на величину его пропускной способности.
Впервые получены траектории движения твердых частиц в потоке рабочей среды в регулирующих осесимметричных клеточных клапанах и определены области локализации и сила действия этих частиц на элементы его конструкции.
Степень достоверности результатов исследований подтверждается:
применением современных вычислительных программных комплексов (ANSYS-CFX10.0, STAR-CD, ANSYS-CFX11.0), предназначенных для решения широкого спектра задач гидрогазодинамики;
сходимостью расчетных и экспериментальных данных (расхождение расчетных и экспериментальных данных, определенных при испытании осесимметричного клеточного клапана Ду200 и ДуЗОО на полигоне «Саратов-оргдиагностика» г. Саратов, не превышало 3 %).
Практическая значимость работы:
- на основе расчетных исследований в регулирующих осесимметричных кла
панах клеточного типа определены значения гидравлических потерь на от
дельных участках гидравлического тракта, что позволило выделить элемен
ты конструкции клапана, которые приводят к появлению застойных зон,
усилению турбулентности потока и возрастанию величины гидравлических потерь;
на основе исследованных моделей оптимизирована конструкция клапана, что обеспечивает снижение величины гидравлических потерь и уменьшение турбулентных пульсаций и акустического шума в клапане;
результаты работы использованы ведущей организацией на этапе проектирования регулирующих клапанов клеточного типа.
Реализация работы. Исследования проводились в рамках комплексной госбюджетной научно-исследовательской работы № 1.3.99Ф «Разработка теории и методов повышения технологической прочности, качества и надежности оборудования ТЭС и АЭС». В период с 2000 по 2001 годы для обеспечения производства запорно-регулирующего осесимметричного клапана клеточного типа условным диаметром Ду200 на заводе «Атоммаш» был выполнен гидравлический и акустический расчет этого клапана. В период с 2003 по 2008 годы для обеспечения производства на базе ОАО «Атоммашэкспорт» осесимметрич-ных регулирующих клапанов клеточного типа проведены расчетные исследования методом численного моделирования гидравлических и акустических характеристик этих клапанов. Результаты исследований на численных моделях использованы при проектировании осесимметричных регулирующих клапанов клеточного типа ДуЗОО, Ду400 и Ду900.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры "Теплоэнергетических технологий и оборудования"; на научно-практических конференциях ВИ ЮРГТУ (НПИ) ежегодно, с 2004 по 2008 гг.; на конференциях "Математические методы в технике и технологии" ММТТ-18, 21; на межрегиональных конференциях "Повышение эффективности производства электроэнергии" (Новочеркасск, 2005, 2007); на региональной конференции "Состояние и перспективы строительства и безопасной эксплуатации Волгодонской АЭС " (Волгодонск 2007, 2008).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 работы опубликовано в изданиях, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК.
Объем работы и ее структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и четырех приложений. Объем диссертации составляет 122 страницы с 87 иллюстрациями. Список используемых источников включает 133 наименований.
Личное участие автора в получении результатов. Результаты диссертационной работы на 80 % получены автором самостоятельно.
Описание объектов моделирования
Регулирующий клапан часто является самым важным и дорогостоящим элементом контура регулирования. В последние годы появились оригинальные решения разгрузки поршня, при которой сохраняются положительные стороны односедельного клапана в сочетании со значительным уменьшением перестановочных усилий, а следовательно, и усилий привода. Решение по разгрузке реализовано в так называемых клетковых (или клеточных) регулирующих клапанах, которые получили свое название по характерной для них детали — клетке, внутри которой перемещается поршень [19, 41]. Клетка представляет собой цилиндрическую втулку, жестко закрепленную в корпусе. На боковой поверхности клетки имеются отверстия для прохода среды, подвергаемой регулированию. Клетка является направляющей затвора, а иногда одновременно и седлом регулирующего органа. Широкое распространение клетковых клапанов в нефтяной, газовой и химической промышленности, гидро- и теплоэнергетике, объясняется многочисленными достоинствами этих клапанов. Прежде всего, весьма эффективным методом регулирования оказался заложенный в них принцип дросселирования, который заключается в разбивке всего потока среды, проходящей через отверстия в клетке во внутреннюю ее полость, на ряд направленных друг против друга струй. Для снижения высокого уровня аэродинамического шума, сопровождающего течение газа при больших перепадах, применяют специальный «антишумовой» вариант клетки. Принцип конструкции заключатся в том, что высокоскоростные газовые струи, выходящие из отдельных отверстий малого диаметра не соприкосаются. Применение «антишу-мовых» конструкций позволяет снизить уровень шума на 15-20 дБ. Арматуру клеточного типа не рекомендуется применять на сильно загрязненных средах, особенно содержащие твердые частицы. Клапаны осевого типа были первоначально разработаны для применения на гидроэлектростанциях, где они использовались с начала XX века. Фирма Моквелд освоила уникальные возможности принципа осевого типа для регулирующих клапанов в 1955 году, став постоянным лидером в развитии этой концепции регулирующий трубопроводной арматуры. РОСКК фирмы Моквелд, изображенный на рис. 1.1, имеет конструкцию с большой жесткостью, не требующую частого обслуживания и спроектированную с целью получения высокой эффективности в широком диапазоне областей применения регулирующей арматуры. Спрямленная осесимметричная проточная часть устраняет вихревые течения и неоправданные изменения направления потока среды в клапане. Это дает значительное снижение уровня шума и турбулентности, а также уменьшает эрозию.
Регулирующий клапан фирмы Моквелд сохраняет полную герметичность во всем диапазоне давлений, даже в самых тяжелых рабочих условиях. Эти клапаны многократно доказали свою высокую надежность в ситуациях, когда требуется обеспечение 100% герметичности даже после продолжительного периода эксплуатации. Регулирующий клапан Моквелд обеспечивает полную герметичность в закрытом положении при действии перепада давлений, как в прямом, так и в обратном направлении.
Клеточные угловые и проходные клапаны проще в изготовлении, поэтому более распространены. Клеточные клапаны фирмы Fisher (США) комплектуются внутренними деталями типа Cavitrol, предотвращающими кавитацию, или типа Whisper, значительно снижающими уровень шума. В конструкции клапана Cavitrol (рис. 1.2) предназначеной для регулирования потоков кавити-рующей жидкости, установлено «антиковитационное» седло, на боковой поверхности которого выполнены отверстия, попарно расположенные на нескольких уровнях диаметрально противоположно друг другу.
Рис. 1.2. Конструкция клапана Cavitrol
При перемещении поршня относительно седла изменяется число пар этих отверстий, благодаря чему изменяется расход, при этом цилиндрические отверстия в клетке имеют ступенчатую форму. Благодаря этому сжатое сечение в струе образуется на некотором удалении от внутренней стенки клетки. Каверны разрушаются, после того как жидкость оказывается за пределами поверхностей поршня и седла, что предупреждает возможность их разрушения от кави 12 тации. Для увеличения потерь на трение в отверстиях и повышения степени турбулизации струй в ряде случаев в них нарезают резьбу.
В клапане типа Whisper (рис. 1.3) среда подается снизу вверх, через втулку под поршнем. На боковой поверхности «антишумовой» втулки выполнен ряд узких вертикальных прорезей. Отличительной чертой клапанов такой серии является модульный принцип конструктивного выполнения их плунжерного комплекта. Применение сменных дырчатых дисков позволяет обеспечить широкий диапазон регулирования, а в сочетании с эффектом самоочистки за счет плотного скольжения поршня во втулке, способствует улучшению показателей эксплуатационной надежности и увеличению срока службы.
Рис. 1.3. Конструкция клапана Whisper
Английская фирма Introl выпускает клеточные клапаны с втулками многоступенчатого дросселирования (рис. 1.4). В них поток последовательно проходит через отверстия нескольких концентрично установленных втулок, а потеря давления происходит как в отверстиях, так и в камерах расширения по ходу потока и в общей выходной камере.
Критерии оценки гидравлических характеристик клапанов
Для проведения исследования гидравлических характеристик регулирующей и запорной арматуры были построены трехмерные конечно-элементные модели для расчета различных типоразмеров клеточных регулирующих осесимметричных клапанов и обратных осесимметричных клапанов.
Программный комплекс ANSYS-CFX использует математические модели турбулентности для определения напряжений Рейнольдса. Эти модели содержат дополнительный дифференциал или алгебраические уравнения, которые связывают вышеупомянутые неизвестные с выбранными усредненными по множеству свойствами поля турбулентности, а также обеспечивают рамки для расчета этих свойств [131]. Кроме того, применяются специальные модели для характеристики потока возле твердых стенок. Наиболее распространены варианты хорошо известной модели k-є, все из которых включают в себя уравнения переноса для турбулентной кинетической энергии к и ее скорость рассеяния є. Варианты модели k-є отличаются друг от друга по одному из следующих аспектов: форме уравнений; способу обработки околостенной области; соотношением между числом Рейнольдса и скоростью деформации. Основные варианты моделей к-є: «стандартная» модель, в которой используются формы с высоким турбулентным числом Рейнольдса уравнений турбулентной кинетической энергии и скорости рассеяния турбулентной кинетической энергии в сочетании с алгебраическими представлениями типа «закон стенки» потока, тепло- и массообмена для околостенной области; модель с низким числом Рейнольдса, в которой общие уравнения переноса для кие решаются везде, включая околостенные области; модель k-є «Ренормгруппа» (РИГ к-є); модель Чена к-є, которая использует шкалу времени производства и рассеяния при закрытии уравнения рассеяния; двухслойные модели, в которых околостенный поток имитируется посредством одного из способов: а) модель одного уравнения с низким числом Рейнольдса, которая со стоит из одного уравнения переноса для турбулентной кинетической энергии и алгебраическим предписанием для шкалы длины турбулентности; б) модель длины смешивания, где турбулентная вязкость рассчитывается без применения каких-либо уравнений переноса, распространением гипотезы длины смешивания Прандтля на трехмерные потоки.
Все существующие модели турбулентности - это неточные представления задействованных физических явлений. Степень приближенности в каждой модели зависит от характера потока, к которой она применяется, и от опыта пользователя, который определяет параметры модели, что приводит к «хорошему» или «плохому» решению.
При создании моделей клапана регулирующего были опробованы различные модели турбулентности и способы задания граничных условий; проанализированы возможности расчета турбулентных пульсаций, решения задач акустики, определение шумовых характеристик; возможности решения задачи гидродинамики при перемещении отдельных объектов модели; рассматривались различные способы моделирования двухфазного потока (рабочая среда -твёрдые частицы) и моделирование удара частиц о стенку. Были определены критерии оценки качества решения.
Разработчиками программы рекомендуются к применению модели к - є, к-га, DES, LES; каждая следующая более ресурсоёмкая, чем предыдущая. Опробованы первые две, причем для модели k-є рассмотрены «стандартная» модель, модель с низким числом Рейнольдса, модель РНГ к-є и модель Чена. Модель к-га приходится применять для расчёта течения возле труднообте-каемых тел, она хорошо работает для низких чисел Рейнольдса. Критерии оценки качества решения определяется выделением «эталонных» задач и срав 25 нение, для этих задач, результатов полученных на модели со значениями приведенными в [56, 59]. В качестве «эталонных» задач рассматривались задачи обтекания шара, цилиндра, движение потока через диффузор, конфузор, сопло, дроссельное отверстие. На этих моделях определены области применения «стандартной» модели к - є и модели к - ш, в зависимости от значения числа Рейнольдса и значения локальной кривизны поверхности канала. Было определено, что «стандартная» модель k-є является оптимальной для решения задач описывающих гидродинамику регулирующей и запорной арматуры. Особенности гидравлики потока клеточных регулирующих осесимметричных клапанов в основном определяется влиянием клетки, поэтому влияние остальных элементов конструкции регулирующего клапана на гидравлику потока исследовалось на моделях осесимметричных обратных клапанов.
На результаты моделирования большое влияние оказывает правильность выбора конечно-элементарной сетки. Сетка выбирается ориентировочно. Для выбора размера элемента сетки для модели к - є разработчики рекомендуют условие 20 г 100, где rj» = (Ay v,)/v - универсальный масштаб координаты; Ау - размер элемента сетки; v„ = л/тш/р - универсальный масштаб скорости; р - плотность; тш - модуль касательных напряжений; v - коэффициент кинематической вязкости; (при меньших значениях распределение скоростей заметно отличается от логарифмического, но применяемые по умолчанию пристеночные функции это учитывают, верхняя граница на г), сильно зависит от Re и от скорости изменения потока). Для модели к - ш необходимо выполнение условия г), 1, иначе пристеночная функция этой модели будет работать неправильно. Величина Г, не является руководством к действию, и размеры сетки, как правило, назначаются по другим критериям, т.к., во-первых, из анализа проведенных расчетов, нет причин считать, что это условие оказывает ощутимое влияние на точность расчёта. Во-вторых, на моделях потоков со значительными градиентами скоростей (а это вся регулирующая арматура), ни ра 26 зу не удалось добиться хорошей сходимости на моделях, где были попытки в обязательном порядке выполнить это условие.
Для обеспечения приемлемой точности расчетов 3 - 5 %, величину сходимости по значению среднеквадратической невязки необходимо принимать равную 10"5. При значении невязки 10"4, применительно к расчетам гидродинамики регулирующей и запорной арматуры, обеспечивает точность не лучше 30 %, что можно использовать только для некоторых предварительных оценок. Величину невязки равную 10"6 в общем случае обеспечить, как правило, невозможно и достигнуть ее можно только для очень простой геометрии тела и потока, применяя очень мелкую сетку. Если подобрана оптимальная сетка, то ее дальнейшее улучшение не приводит к получению более достоверных результатов, в то время как грубая (не оптимальная) сетка всегда приводит к заниженным значениям гидравлических потерь.
Экспериментальное исследование расходной характеристики регулирующего осесимметричного клеточного клапана ДуЗ00
Движение твердых частиц рассматривалось в потоке жидкой и газовой среды. Запорно-регулирующий клапан для магистральных газовых и нефтепроводов предназначен для регулирования расхода и давления углеводородной среды, в том числе и с большим содержанием песка, питьевой воды и высокоагрессивных примесей. Природный газ может содержать механические приме-си в количестве до 10 мг/нм и с размером отдельных частиц до 1 мм. Содержание взвешенных частиц может быть различным как по количеству, так и по размерам. Все их можно разделить на два основных диапазона размеров: песок - размер частиц от 50 + 300 мкм и до 1,5 мм; частицы размером менее 10 мкм. В потоке сырой нефти может содержаться механические примеси в количестве до 0,05 % массы и с размером отдельных частиц до 5 мм. По составу взвешенные частицы кроме песка и микрокристаллов солей, как в газе, могут состоять так же из каменной и металлической крошки с размером до 5 мм.
Для расчета силы сопротивления микрочастиц в газах и в капельных жидкостях применяется, с поправкой по аналогии с формулой Кеннингема и Милликена, зависимость закона Стокса [69] L«20 нм-2-10" м; в газах длина свободного пробега молекул определяется из уравнений кинетической теории газа); v - скорость движения частицы; d4 — диаметр частицы. Расчет показывает, что при диаметре частицы d4 = 1 мкм, сила сопротивления в 100 раз больше, чем рассчитанная по закону Стокса. Рассмотрим клапан для газовых сред в клапане ДуЗОО с сепаратором перфорированным круглыми отверстиями. Рассмотрим относительное движение твердых частиц в потоке газа в клапане. Так как, это движение характеризуется отношением изменения импульса частицы, которая пропорциональна массе частицы, т.е. кубу ее линейных размеров, к импульсу силы действующей на частицу со стороны потока газа, который пропорционален силе лобового сопротивления, т.е. квадрату линейных размеров частицы, то наибольшее расхождение траекторий движения для газа и твердых частиц будет наблюдаться для наиболее крупных частиц. Моделирование движения твердых частиц в ANSYS показали, что при d,, 0,01 мм движение твердых частиц в вязкой среде при атмосферном и повышенном давлении полностью совпадает с движение потока среды. Поэтому рассмотрим движение твердых частиц с линейными размерами от 0,1 мм до 1 мм. Как видно на рис. 3.18-3.20 воздействию твердых частиц подвергается в основном сепаратор в районе первого ряда отверстий (считая от выходного сечения клапана), а при открытии клапана менее чем на 2,5 % кроме этого воздействию подвергаются так же боковая поверхность поршня.
Максимальное значение нормальные составляющие скоростей твердых частиц при их соударении с конструктивными элементами клапана наблюдаются для номинального рабочего режима (для номинального расхода при сепараторе открытом на 80 %) и для режима критического истечения при сепараторе открытом меньше чем на 2,5 %. При этом скорости соударения составляют: для номинального режима - для частиц с диаметром d = 1 мм скорость равна v = 25 м/с, а с диаметром d = 0,5 мм скорость равна v = 30 м/с; для режима критического истечения - для твердых частиц с диаметром от d = 0,5 мм до d = 1 мм скорость равна v = 5 м/с для области входа в сепаратор, а при соударении с поршнем скорость равна v = 45 м/с для твердых частиц с диаметром d = 1 мм и v = 60 м/с для частиц с диаметром d = 0,5 мм. 1.454e+000
Vi , V2 — коэффициенты Пуассона для частицы и стали; Еь Е2- модуль упругости для частицы и стали. Результаты расчета взаимодействия твердых частиц и конструкционных элементов клапана при соударении приведены в табл. 3.9, где т - время взаимодействия, определяемое из величины деформации и силы взаимодействия; [ T]RV - допускаемый размах приведенных напряжений в концентраторах. Как видно из этой таблицы контактное давление при соударении крупных частиц (d 0,1 мм) превышает предел допускаемых напряжений. Таким образом, подвергается разрушению корпус клапана в области, примыкающей к сепаратору и особенно сильно сепаратор в районе первого и второго ряда отверстий (считая от выходного сечения клапана). На рис. 3.21 приведена фотография сепаратора клапана Ду200 конструкции фирмы «Mokveld» для газовых сред со следами ударной эрозии.
Пульсации потока в клапане типа «Диск»
Регулирующий клапан типа «Диск» так же как и клеточный регулирующий клапан является разгруженным регулирующим клапаном нового поколения. Регулирующие клапаны типа «Диск» используются для регулирования расхода питательной воды на ТЭС и во втором и третьем контурах некоторых АЭС (в третьем контуре для реакторной установки типа БН). Устройство клапана изображено на рис. 4.14. Регулирующая часть клапана типа «Диск» в основном состоит из щелевидного седла, где размер отверстия в седле регулируется вращающимся диском (золотником). Угол вращения диска изменяет проходное сечение и величину расхода. Диск держится в постоянном контакте с седлом благодаря 10 % нагрузке прижатия со стороны головки диска.
Опыт эксплуатации регулирующих клапанов типа «Диск» показал, что наряду с положительными показателями, в некоторых случаях отмечались повышенные значения пульсаций расхода рабочей среды. Было так же обнаружено, что в некоторых регулирующих клапанах крутящий момент на открытие и на закрытие заметно отличался.
С целью исследования этих негативных процессов были созданы модели регулирующих клапанов типа «Диск» Ду400, ДуЗОО и ДуЮО. На этих моделях рассмотрена гидродинамика потока в клапане при различных углах открытия и определены прижимные усилия и вращающие моменты на золотнике, а так же определено, какие колебательные процессы могли возникнуть в потоке рабочей среды в клапане. Исследования на моделях позволили определить, что при частичном открытии клапана типа «Диск» на различные поверхности золотника действуют разные давления, возникающие в результате гидравлических потерь и изменения скоростных напоров. Рассмотрены модели клапанов типа «Диск», открытых на 25, 45, 50, 55, 60 и 75 %. На рис. 4.15, 4.16 приведены распределение скоростей и давлений в клапане Ду400, открытом на 60 %. На этих рисунках хорошо видна несимметричность скоростей потока в клапане и наличие больших зон вихреобразования, что приводит к появлению вращающих моментов на золотнике, возникновению пульсаций потока и акустических колебаний.
Вращающие моменты на золотнике возникают в результате изменения местных скоростей потока и действуют на боковые поверхности золотника в направлении на закрытие клапана. В табл. 4.1 приведены значения условной пропускной способности Kvy клапана Ду400. Было выяснено, что величина закрывающего момента зависит от выравнивания скоростей потока в промежутке между наружным корпусом и внутренним стаканом клапана. Чем больше отношение площади поперечного сечения в этом промежутке к площади отверстий в седле клапана, тем меньше значение закрывающего момента.
Причиной возникновения колебаний в клапане могут являться колебания расхода рабочей среды, акустические колебания потока и колебания, вызванные внешними причинами (влиянием другого оборудования). Исследование на моделях не позволило определить причину и механизм повышенных значения пульсаций потока.
Таким образом, исследование на модели с одной стороны показали, что конструкция рассмотренных клапанов типа «Диск» не является причиной выхода из строя приводов регулирующих клапанов на ЗАЭС и БАЭС, а с другой стороны подтвердили возникновение при эксплуатации значительного закры 79 вающего момента, и следовательно, необходимости доработки конструкции клапана. На моделях были рассмотрены различные варианты конструкции золотника и седла клапана, но было определено, что для существенного уменьшения гидродинамического момента на золотник, необходима полная переделка конструкции клапана. Поэтому было предложено вместо клапанов типа «Диск» применить этих системах клеточный регулирующий клапан осесим-метричного типа Ду400. Для уменьшения пульсаций принято решение кроме клетки, равномерно перфорированной круглыми отверстиями, дополнительно использовать плоский дырчатый лист. Была создана модель этого клапана, на которой выполнен выбор основных размеров, которые позволяют использовать клеточный клапан осесимметричного типа для регулировки расходов питательной воды на ТЭС и АЭС.
Распределение скоростей в районе клетки и плоской решетки полностью открытого осесимметричного регулирующего клапана питательной воды приведено на рис. 4.17. Предложенный осесимметричный регулирующий клапан питательной воды клеточного типа Ду400 имеет более линейную пропускную характеристику по сравнению с аналогичным клапаном типа «Диск», его пропускная способность составляет Kv = 775 м3/час, по сравнению с пропускной способностью Kv = 820 м /час клапана типа «Диск». Некоторое уменьшение значения пропускной способности улучшают условия эксплуатации регулирующего клапана, т.к. на АЭС в системах питательной воды эти клапаны обычно используются открытые так, что бы обеспечить величину условной пропускной способности Kvy « 600 м /час. Таким образом предлагаемая замена вполне оправдана.
При решения задач акустики (расчет акустики вышеуказанных клапанов и [50, 60, 72, 76, 109, ПО]) выяснилось, что решение задач акустики, применительно к трубопроводной арматуре при скорости потока М 0,3, вручную, по распределению скоростей в клапане, полученным из гидродинамического расчета в ANSYS-CFX, и решение задачи акустики напрямую в ANSYS, совпадает по объединенному уровню акустической мощности и уровню акустической мощности для каждой частоты с точностью 0,5 %.
