李祥波（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

高压减压阀在水电站技术供水系统中的性能改造及CFD分析

李祥波
（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

摘要：针对新疆某电站ZJY46H组合式高压减压阀在使用过程中出现的噪音大、气蚀严重等性能缺陷问题，通过对高压减压阀的试验、CFD分析及节流锥型线优化、仿真等研究，降低了高压减压阀在水电站技术供水系统应用中产生的噪音和气蚀问题，提高了高压减压阀在高水头水电站技术供水系统的性能。

关键词：高压减压阀；噪音；气蚀；试验；仿真

0　概述

技术供水方式的选择多种多样，有自流减压供水方式、水泵供水方式、水轮机顶盖取水供水方式、小水轮机减压后供水方式等。因为自流减压供水方式运行稳定、维护简单且可节约工程投资，技术可靠且有较高的经济性，被很多水电站采用。

但对很多高水头电站而言，采用自流减压供水方式会突破我国现行规范的要求，对是否采用自流减压供水方式宜做进一步的分析研究，并且技术供水对象对水压有严格的要求，因为自流减压方式需要通过减压阀将来自上游高压水的多余水压加以削减，所以必须对减压阀有关性能进行可行性研究和分析。

影响减压阀性能的主要因素之一，即流体对阀体过流位置的气蚀和冲蚀，即流体在减压阀内的流态，反应现象为减压阀在工作过程中的震动和噪音。

1　实验对象和目的

ZJY46H型组合式减压阀是我国水电站自流减压方式采用得较多，也是较稳定的一种减压阀，其具有高减压比、大流量、稳定性好、使用寿命长、一级减压的特点。但即使如此，在高减压比的工况下运行时，由于能量消耗的形式体现，运行噪声和气蚀的现象也是不可避免的。在分析这一现象时，我们认为：合理过流面积的几何形状可有效地减小流阻，同时有效地减少噪声和气蚀程度。

为此，我们首先设计了两个改进型DN150节流锥S1号、S2号和缸套阀座组合件，先在试验台上进行试验，S2号节流锥和缸套阀座组合件，取得了明显的预计效果；然后我们又在某水电站进行了水电站试验，证明了这次改进的确有着良好的效果。

在水电站试验取得良好效果之后，我们根据节流锥型线优化试验数据制造出DN450大口径减压阀，在CDF实验台上采集参数进行了CFD分析，以印证改造思路和效果。

2　试验台实验

2.1试验台简介

多功能试验台如图1所示：B为多级泵；A为被测减压阀；C为安全泄压阀。试验系统开启后，将P1最高值调整为1.9MPa，然后在分别设定P2为各不同值，在各值中改变P1值，观测在不同工况下的运行稳定性和噪声。

图1多功能试验台

2.2试验方式

用两个改进型DN150节流锥S1号S2号，一个原型节流锥S0号和相对应的缸套阀座组合件，先后装入减压阀阀体内在试验台上进行试验，通过给定出口压力、调节进口压力，测试主阀不同开度条件下的噪声分贝值，即可比较不同节流锥的性能差异。

2.3试验台试验数据及初步判断

试验台试验结果见表1：

表1试验台试验结果

由表1可知，改进型节流锥S1号的降噪性能比原型节流锥S0号好，改进型节流锥S2号降噪性能最佳。

3　水电站试验

3.1水电站及减压阀使用情况简介

某水电站装机容量为2×6300kW，为引水式电站，机组技术供水采用自流减压供水和水泵供水方式，单机组技术供水流量为450m3/h；水头为260～240m。因水泵运行故障率高，所以自流减压供水为主供水。

3.2机组自流减压供水系统简介

如图2所示：在压力钢管进机组处的位置附近取水。K1、K2分别是取水阀和工作阀，Y为 ZJY46H-40CDN150减压阀。P2的压力整定为0.6MPa，减压后的水直供水池，再由水池供两台机组用水。调节阀门K3为合适的过流面积。改进前的单台ZJY46H-40CDN150减压阀的流量在满足两台机组运行时，运行噪音为118dB。

图2机组自流减压供水系统

3.3自流减压供水系统工作状况

该水电站以前曾用国外某公司生产的膜片差压式DN450减压阀2台作两级减压，使用不到半年即损坏，无法再用。后改用ZJY46H型组合式减压阀，1台作一级减压，使用1年后，虽然噪声偏高，节流锥有冲蚀和气蚀，但仍能使用。

由于电站生态环境较差，植被破坏严重，水中的杂质主要为石英砂。由于高速水流产生的气蚀，再加上石英砂的磨蚀，减压阀的运行环境很差。这就需要对减压阀进行合理的改进，保证在恶劣环境下运行的减压阀有良好的适应性，以保证电站的正常运行。

3.4水电站试验简介

原计划试验S2号节流锥和S0号节流锥及对应的缸套阀座组合件，以作比较。但因两次试验间隔的准备时间（减压阀前截止阀不能关死，需压力钢管泄水和灌水）过长，为不影响按时发电，只试验S2号节流锥而未能进行S0号原型节流锥的试验。另外，只有减压阀后有压力表，而减压阀前没有，也没有流量计。这对试验造成一定的不便。

在S2号节流锥试验过程中及后正式发电投入运行时，减压阀的噪音明显减小，振动微弱。

3.5水电站试验数据及初步判断

水电站试验结果见表2和表3。

表2水电站试验结果（一）

表3水电站试验结果（二）

注：1）符号同表一。2）减压阀主阀全开程为28mm。3）带*号的调节杆预压高度为63mm，是当前的发电投运状态。其余的调节杆预压高度为89mm。

由表2可知，出口阀开度从全开到1/2开时，减压阀的出口压力变化很小，不影响机组运行。此时通过减压阀的水流噪声有较大降低。

通过表2和表3对比，可以发现：

1）当出口压力调高后，水流噪声降低约6～7dB。

2）在表2中，出口阀开度变化后，水流噪声从110.0dB降到91.0dB，降幅为19dB；在表3中，水流噪声则从111.0dB降到88.5dB，降幅为22.5dB。

3）试验完成后，应电站要求，将ZJY46H-40C DN150减压阀的P2值整定为0.7MPa，调节出口阀K3满足两台机组运行的流量要求。即时工况的噪声为89.5dB。

3.6综合分析

通过上述试验，可得出结论：1）S2号节流锥对降低减压阀的水流噪声是有效的；2）S2号节流锥的稳压性能是可靠的；3）辅以增加主阀调节杆的预压量对降低减压阀的水流噪声也是可行的。

一般来说，减压阀的水流噪声与水通过节流锥产生的涡流直接相关，而涡流与节流锥的几何形状、附近的流道及流速有关，而流速又与节流锥的开度和前后压力差有关。

选择合理的节流锥形状，可以减小流阻系数及相应的涡流影响；增加主阀调节杆的预压量，可以增加水的流量而降低通过节流锥过流面的流速（实际上是流阻损失减少）。通过这种方式，可以有效降低减压阀的水流噪声。

4　CFD试验

4.1CFD试验台简介

如图3所示：4位置减压阀，分别为ZJY46H-25CDN450组合式减压阀；压力表（P1、P2）精度为0.4级，并具有稳流管和旋塞调节阀；测流流量计为电磁式或超声波式均可，安装于被测阀4后的规定位置。

图3CFD试验台

4.2试验方法

（1）本次试验的P1值为5个测试点：1.50MPa、1.70 MPa、1.80MPa、1.90MPa、2.00MPa。P2值分别为0.40MPa和0.60MPa。每个P2值的P1变化值满足前叙5个测试点的技术要求。试验方法：调节减压阀工作反馈系统的控制阀，使P2=0.40MPa。

（2）调节F1的开度，使P1值分别升序，即：1.50 MPa、1.70MPa、1.80MPa、1.90MPa、2.00MPa。并在每个点记录P1值、P2值、Q值。

（3）当P1值升至2.00MPa时，调节减压阀工作反馈系统的控制阀，使P2=0.60MPa。

（4）调节F1的开度，使P1值分别降序，即：2.00 MPa、1.90MPa、1.80MPa、1.70MPa、1.50MPa。并在每个点记录P1值、P2值、Q值。

4.3模拟试验数据

测试型号：ZJY46H组合式减压阀DN450-25C出口压力整定值：0.4～0.6MPa。

测试参数：P1-进口压力MPa、P2-出口压力MPa、Q-流量m3/h、H-主阀拉杆运行开度mm。

基准参数：H0-主阀拉杆全关值227mm。

表4模拟实验数据

5　ZJY46H组合式减压阀CFD分析及节流锥型线优化

计算技术和计算流体力学的飞速发展使得设计者可以借助CFD软件模拟各种复杂流动现象，对流场特性有直观的了解，进而可针对所出现的问题改进设计，大大节约时间和成本。

利用三维CFD技术，拟对ZJY46H组合式减压阀的减压过程，流场特性如压力场、速度场等以及空化和噪声性能进行定性描述，以验证所采用的ZJY46H组合式减压阀在电站自流供水系统中的可行性。

ZJY46H组合式减压阀是依靠调整阀芯开度来改变阀芯与阀座之间的环形通道（也就是过流面积）来达到减压目的的，水流冲击ZJY46H组合式减压阀阀芯会消耗部分能量，从狭小的过流面积通过的水流流速会急剧上升，从而导致较大的压力降。显然，节流锥型线对ZJY46H组合式减压阀性能有直接影响。

5.1ZJY46H组合式减压阀结构图（见图4）

图4ZJY46H减压阀结构图

5.2ZJY46H组合式减压阀基本参数（见表5）、三维建模及网格划分（见图5）

表5基本参数

5.3ZJY46H组合式减压阀数值计算条件（见表6）

表6计算条件

图5ZJY46H减压阀三维建模及网格划分图

5.4ZJY46H组合式减压阀数值计算结果

针对水电站技术供水的实际运行情况，如果运行工况稳定，一定的进口压力或流量会对应于ZJY46H组合式减压阀的某个开度H，首先应该在模拟试验台上寻找出对应于水电站技术供水的ZJY46H组合式减压阀阀芯开度。

分别试算H=45mm、35mm、30mm、29mm、28mm、27mm六种阀芯开度并比较计算结果（见图6），得出在H=28mm时，ZJY46H组合式减压阀出口压力约为0.6MPa，因此适于给定的水电站技术供水系统的ZJY46H组合式减压阀的开度应为28mm。

图6ZJY46H组合式减压阀出口压力随开度变化曲线

5.5减压阀空化性能分析

水流在经过阀芯与阀座之间狭小的过流面时，流速急剧增大，压力会迅速降低，形成低压区，这些低压区域很容易发生空化现象，若空化现象持续累积将会造成减压阀减压性能的下降，增加运行成本。

空化发生的根本原因是在液体温度一定的条件下，液体的绝对压力降低到当地汽化压力以下，此时液体会汽化或者溶解于液体中的空气发育形成空穴，当空穴随水流运动至高压区时，气泡会溃灭，若溃灭发生在固体避免附近，将会引起过流表面的材料损坏。

采用FLUENT进行减压阀的空化数值模拟，空化模型采用基于混合相的“Schnerr-Sauer”空化模型，汽化压力取为3540Pa，空泡数密度为1e+13，进口给定速度入口边界条件，且进口处水蒸气体积分数为零，出口给定压力，同样水蒸气体积分数为零，采用无滑移壁面条件。计算时先采用定常计算，然后在定常计算的基础上采用非定常计算，时间歩长取为5e-6s，计算步数取为2000，每一时间步迭代次数为20。见图7、图8。

图7阀芯表面空泡体积分数分布云图

图8导流板表面空泡体积分数分布云图

5.6减压阀噪声仿真分析

减压阀内的流场是极不稳定的，不稳定的流场会产生一定强度的流噪声。并且伴随着空化现象的发生，空泡的不断溃灭，势必会引起减压阀的噪声和振动，因此有必要对减压阀内的噪声进行仿真分析。

借助FLUENT，在空化非定常计算的基础上，利用噪声模块，采用“Ffowcs-Williams&Hawkings”噪声模型，远场密度为水密度998.2kg/m3,远场声速为1483m/s，参考升压为1e-5Pa，定义减压阀阀芯为噪声源，FW-H模型可以将流场分布转化为阀芯表面的声源，从而进行噪声分析。

由奈奎斯特采样定律：在进行模拟或数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中的最高频率的两倍时，那么采样之后的数字信号完整的保留了原始信号中的信息。一般实际应用中应该保证采样频率为信号最高频率的5～10倍，本次噪声数值模拟中取时间歩长△t=5e-6s,则根据采样最高频率与时间歩长的关系：

低频时声压级幅值较大，且变化梯度大，随着频率的升高，幅值持续下降，最后在基本保持在一个定值，由此可知，噪声的低频能量较大，高频部分能量较小。并且远离阀芯的位置噪声越小，且上游噪声较下游小一些。

5.7减压阀节流锥型线优化

基于对减压阀流动特性的分析，拟对减压阀进行节流锥型线进行优化，旨在降低空化发生率，同时期望阀芯附近的最大噪声有一定的下降。

减压阀阀芯断面靠近上表面处最易发生空化，根本原因是此处流体过流通道的急剧改变形成了较大的速度梯度，因次可以考虑将端面与上表面之间的过渡面改为曲率更大的曲面形结构，使流道更加光滑（见图9）。

图9减压阀节流锥改型前后断面型线对比图

改型之后的减压阀空化性能得到明显地改善，气泡的最大体积分数由0.537减小到0.214，减幅达60%以上（见图10）。

图10改型前后减压阀阀芯气泡体积分数分布图

优化前后的减压阀有相同趋势的声压级图，优化节流锥型线后的减压阀声压级平均下降了20dB以上，并且优化后的减压阀声压级脉动性较未优化明显，达到一定的减噪要求（见图11）。

图11改型前后减压阀声压级对比图

6　结论

通过对ZJY46H-25-P-④-Q2型减压阀进行三维建模，划分网格，给定计算条件，对减压阀进行了CFD三维流场特性、空化特性和噪声仿真的研究。由CFD计算结果来看，减压阀在阀座与阀芯之间的过流区域流场最不稳定，其压力、速度等梯度变化较大，易发生空化现象并且伴随着一定的噪声，严重时可能影响机组技术供水的正常供应。根据初步关于减压阀的数值模拟结果，对节流锥进行型线优化，重新计算并与初始结果进行对比，结果表明：优化节流锥型线后的减压阀在未改变减压效果的前提下，其空化性能有所改善并且噪声有一定的下降，达到了预期的优化效果。

中图分类号：TH138.52

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）03-0056-06

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.017

收稿日期：2014-12-18

作者简介：李祥波（1979-），男，高级工程师，从事水电站机电、金属结构设备建设及运行管理工作。