在船用凝汽式汽輪機(jī)凝水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試中,為防止凝水泵出現(xiàn)汽蝕,通常需要對凝水系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)整。為實(shí)現(xiàn)凝水系統(tǒng)壓力的在線便捷調(diào)節(jié),穩(wěn)定凝水泵出口揚(yáng)程及流量,設(shè)計(jì)了凝水壓力控制閥。該閥采用二級節(jié)流的結(jié)構(gòu)形式,可通過調(diào)整閥開度改變節(jié)流效果。通過公式計(jì)算得到了不同開度下凝水壓力控制閥的調(diào)節(jié)性能,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,控制閥滿足設(shè)計(jì)要求。采用CFD流體計(jì)算軟件對凝水壓力控制閥進(jìn)行三維數(shù)值模擬,驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

　　船用凝汽式汽輪機(jī)的凝水系統(tǒng)主要包括冷凝器、凝水泵、水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)等設(shè)備。其中水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括排水閥、回水閥、控制器等，用于調(diào)節(jié)冷凝器水位，以保證不同工況下冷凝器水箱水位維持恒定。

　　凝水系統(tǒng)如圖1所示。汽輪機(jī)排汽在冷凝器內(nèi)部經(jīng)冷卻后凝結(jié)為凝水并進(jìn)入冷凝器水箱，水箱底部設(shè)有管路聯(lián)接至凝水泵，凝水經(jīng)由凝水泵增壓后進(jìn)入凝水管路。排水閥與回水閥由控制器邏輯控制，當(dāng)水位過高時(shí)，排水閥開啟，回水閥關(guān)閉，將水箱內(nèi)多余的凝水排出;當(dāng)水位不變或過低時(shí)，排水閥關(guān)閉，回水閥開啟，凝水經(jīng)由回水閥回到冷凝器中，使冷凝器水箱水位保持恒定。

圖1 凝水系統(tǒng)示意圖

　　在凝水系統(tǒng)中，由于凝水泵出口揚(yáng)程較高，而冷凝器又處于真空環(huán)境，因此排水閥、回水閥設(shè)備前后的壓差較大。在調(diào)節(jié)過程中當(dāng)閥門開度過大時(shí)，會使凝水泵的流量迅速增加、揚(yáng)程大幅下降，當(dāng)揚(yáng)程低至一定程度時(shí)凝水泵會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致凝水無法排出，更加嚴(yán)重時(shí)會造成設(shè)備的損壞。因此在排水閥與回水閥入口或出口處通常需要加裝節(jié)流孔板，以增大管路阻力，避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。

　　在凝水系統(tǒng)的調(diào)試過程中，工作人員往往采用固定式的節(jié)流孔板，即節(jié)流孔面積不可調(diào)，這就使得在調(diào)試中需要反復(fù)調(diào)整孔板大小，通過多次的試驗(yàn)方可確定最終孔板的大小，而每次的調(diào)整過程都需要關(guān)閉凝水泵，在節(jié)流孔板更換后進(jìn)行重新開機(jī)，如此一來既增加了人力的投入，又占用了大量寶貴的調(diào)試時(shí)間，不利于快速有效的處理問題。根據(jù)上述存在的問題，本文提出了一種全新的設(shè)計(jì)———凝水壓力控制閥，可通過手動(dòng)在線調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)凝水管路阻力的連續(xù)變化，以快速尋找到最佳的節(jié)流效果。

1、凝水壓力控制閥的結(jié)構(gòu)與計(jì)算

1.1、凝水壓力控制閥的設(shè)計(jì)要求

　　根據(jù)凝水泵性能參數(shù)，凝水管路總流量為10t/h，控制閥入口處凝水揚(yáng)程為90m。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與閥門的計(jì)算結(jié)果，控制閥應(yīng)在流量基本維持不變的條件下使出口揚(yáng)程達(dá)到50m左右，同時(shí)具備一定的揚(yáng)程調(diào)節(jié)范圍。

1.2、凝水壓力控制閥的結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，對凝水壓力控制閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。控制閥主要由殼體、閥套、滑閥等零件組成。凝水經(jīng)由進(jìn)口進(jìn)入控制閥，通過兩級窗口的節(jié)流后，由出口流出。兩級節(jié)流窗口布置于閥套上，其中第二級窗口為可調(diào)節(jié)窗口，通過旋轉(zhuǎn)頂部的螺紋帶動(dòng)滑閥上下移動(dòng)，可改變其面積大小，從而實(shí)現(xiàn)對凝水壓力的調(diào)節(jié)，控制閥總開度為10mm。

圖2 凝水壓力控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.3、凝水壓力控制閥計(jì)算方法

　　凝水壓力控制閥的節(jié)流過程包括兩個(gè)部分，第一級由固定窗口完成，第二級由可調(diào)窗口完成。根據(jù)伯努利方程，對于第一級固定窗口的節(jié)流過程有：

　　式中：G1—流過固定窗口的凝水流量;P0—凝水入口壓力;P1—固定窗口后壓力;ρ—凝水密度;F1—固定窗口面積;Φ—流量系數(shù)。

　　同理，對于第二級可調(diào)窗口有：

　　式中：G2—流過可調(diào)窗口的凝水流量;P1—可調(diào)窗口前壓力，即固定窗口后壓力;P2—可調(diào)窗口后壓力;ρ—凝水密度;F2—可調(diào)窗口面積;Φ—流量系數(shù)。

　　對于整個(gè)控制閥，凝水在流經(jīng)固定窗口與可調(diào)窗口時(shí)的流量保持相等，有流量守恒方程：

G1=G2 (3)

　　假設(shè)控制閥入口壓力不隨控制閥開度而發(fā)生改變，則P0=90m;根據(jù)調(diào)節(jié)窗口型線，可知不同開度下調(diào)節(jié)窗口的面積F2，帶入式(1)～式(3)則可求得不同調(diào)節(jié)窗口開度下凝水流量和出口揚(yáng)程的變化關(guān)系。

1.4、凝水壓力控制閥計(jì)算結(jié)果

　　由于聯(lián)立方程本身并不封閉，因此需要再給出一定的邊界條件。為考核凝水壓力控制閥的調(diào)節(jié)性能，采用了兩種計(jì)算方法：

　　1、出口給定設(shè)計(jì)揚(yáng)程，求得不同開度時(shí)的流量;

　　2、給定設(shè)計(jì)流量，求得不同開度時(shí)的出口揚(yáng)程。

　　圖3所示為出口揚(yáng)程為50m時(shí)，控制閥在不同開度下的流量。由圖3可以看出，隨著閥門開度的不斷增加，調(diào)節(jié)窗口面積持續(xù)增大，所通過流量也逐漸增大，最大流量約為12t/h。

圖3 不同開度下的流量(出口揚(yáng)程為50m)

　　圖4所示為流量保持10t/h不變時(shí)，不同開度下控制閥出口揚(yáng)程。在開度4mm以下，由于調(diào)節(jié)窗口面積過小，控制閥無法達(dá)到10t/h，當(dāng)開度在5～10mm時(shí)，出口揚(yáng)程迅速增大，在調(diào)節(jié)窗口全開時(shí)，出口揚(yáng)程達(dá)到最大，約為64m。

圖4 不同開度下的出口揚(yáng)程(流量為10t/h)

　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在凝水流量為10t/h時(shí)，凝水壓力控制閥的調(diào)節(jié)范圍為0～64m;在控制閥開度為7mm時(shí)，其出口揚(yáng)程為50m左右，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。