0 概述

近年，汽輪機的啟停和功率的變化是通過調節(jié)閥開度的變化，改變進入汽輪機的蒸汽流量或蒸汽參數來實現的，顯然調節(jié)閥內的流動特性和工作可靠性對整個汽輪機的安全經濟運行有重要的影響。調節(jié)閥結構復雜，其流道為雙喉噴管，內部呈現復雜的流態(tài)分布和變化規(guī)律，研究和分析汽輪機調節(jié)閥的內部流場，分析其總體性能和流場細節(jié)，并研究損失產生機理，以便能夠提出優(yōu)化閥碟和閥座型線的方案，提高調節(jié)閥的可靠性和經濟性。

作為汽輪機配汽系統(tǒng)的執(zhí)行機構，調節(jié)閥是目前本行業(yè)工作效率和安全性最具挖掘潛力的部分，但是我國由于缺乏先進的測試儀器和手段，針對閥門流動特性進行系統(tǒng)研究并不多，國外利用紋影技術進行過二維軸對稱模型的可視化實驗研究及三元模型試驗，但是實際閥門由于流態(tài)變化誘發(fā)振動的流場并沒有顯示出來。迄今，工程設計中調節(jié)閥的流動特性參數主要是參照一些設計手冊提供的經驗公式和系數來估計，估算誤差很大，阻礙了閥門質量的提高。CFD數值模擬技術為準確預測與分析閥門流動特性提供了一條有效的新途徑。本文對600MW超臨界汽輪機的調節(jié)閥進行了數值模擬分析，對于汽輪機調節(jié)閥的設計、運行和氣動性能優(yōu)化具有一定意義。

1　計算模型及網格劃分

1.1　幾何模型

調節(jié)閥采用2組進汽閥配汽，進汽閥閥體為主汽閥與調節(jié)汽閥合在一起的合體結構，如圖1所示為閥體內流體所占據的空間幾何區(qū)域。閥體保留了主控制閥、閥桿、閥碟、閥座以及進出口型線等全部原型結構。

圖1 調節(jié)閥實體模型

1.2　網格劃分及邊界條件

圖2給出了汽流流經空間幾何通道的計算網格圖，在喉部等關鍵部位進行了網格局部加密，應用Gambit網格劃分軟件生成調節(jié)閥非結構化網格，網格單元數約為120萬，用Fluent6.2并行計算軟件在曙光高速并行機上進行全三維流場計算。基本方程為三維可壓N2S方程，采用非耦合求解器，應用隱式算法，定常流動。采用定比熱方式進行計算，湍流模型采用標準k2ω模型，近壁面采用標準壁面函數進行處理。邊界條件給定進口總壓、總溫和出口靜壓。

表1　調節(jié)閥邊界條件

表1給出超臨界調節(jié)閥進出口邊界條件，其中蒸汽進口湍流度取3%，水力直徑選取汽流入口直徑250mm；出口湍流度取8%，水力直徑選取汽流出口直徑172mm。

圖2　調節(jié)閥局部計算網格

2　計算結果分析

2.1　調節(jié)閥馬赫數等值線分析

圖3 調節(jié)閥汽流馬赫數等值線圖（100%開度）

圖4 調節(jié)閥汽流馬赫數等值線圖（50%開度）

圖5　調節(jié)閥汽流馬赫數等值線圖（30%開度）

圖3、圖4和圖5分別給出了調節(jié)閥在100%、50%和30%開度下馬赫數等值線圖。如圖所示，隨著開度的降低，馬赫數最大值增大，由100%開度馬赫數最大值0.26增加到30%開度馬赫數最大值1.4。由于閥體內較大的空間，汽流在通過閥碟和閥座構成的環(huán)型通道前，流體速度變化很小，并且具有較低的速度，隨著開度的降低，通流能力下降，閥體內部大空間汽流的流速逐漸下降，馬赫數由100%開度時的0.09降至30%開度時的0.03。如圖所示，馬赫數變化較大區(qū)域主要集中在環(huán)型通道和閥碟下方的擴壓區(qū)。

在最大開度（100%）時，調節(jié)閥中心面的兩側形成較強的射流，并且不對稱。在中心面的左側（靠近主蒸汽入口側）汽流從喉部噴出，繼而形成閥座附著流；而中心面的右側（遠離主蒸汽入口側）汽流從喉部噴射后形成較大的汽流影響區(qū)域，汽流噴射的影響區(qū)域一直延續(xù)至出口。兩側汽流進行摻混，相互影響形成了非對稱匯流，形成原因為：在此開度（100%）下，閥門開度較大，左側來流由主蒸汽閥給汽經由90°折轉直接流經調節(jié)閥喉部至出口，而右側汽流為流經調節(jié)閥桿的圓柱繞流，流動過程中汽流在較大的調節(jié)閥空間擴壓，流速較低。

圖6 馬赫數等值線喉部放大圖（30%開度）

圖6給出了30%開度時馬赫數等值線喉部放大圖，如圖6所示流體在喉部出口處形成閥座附著流，并無汽流摻混，高速流體附著于閥座壁面歸功于閥碟的獨特設計，閥碟下部開設缺口棱邊，使汽流從閥碟表面強制分離，這種流動特性一直持續(xù)到出口，在閥碟下方至出口的擴壓區(qū)域中，除靠近壁面區(qū)域的流體外，大部分流體馬赫數較低，說明流經環(huán)型通道的流體并沒有進行嚴重摻混，這樣降低了流動損失。

2.2　不同工況開度下調節(jié)閥內部流動分布

圖7 蒸汽閥氣流流動及局部放大圖（100%開度）

圖8 蒸汽閥氣流流動及局部放大圖（50%開度）

圖9 蒸汽閥氣流流動及局部放大圖（30%開度）

圖7、圖8及圖9給出了不同工況開度下蒸汽閥汽流流動情況。由圖可見在調節(jié)閥空間的不同大小渦系分布以及參數變化情況。在100%工況開度時，調節(jié)閥的通流能力較強，喉部至出口位置區(qū)間汽流進行摻混，此處參數變化緩和。隨著開度的降低，調節(jié)閥通流能力減弱，喉部區(qū)域參數變化劇烈，但喉部出口區(qū)域流線較為清晰，沿喉部周向出口氣流不進行摻混。由此能夠進一步說明，閥碟的內凹型設計降低了不同開度工況時汽流摻混帶來的能量損失。

3　結論

（1）閥碟與閥座組成的環(huán)型通道是決定調節(jié)閥的主控通流能力、流場特性和穩(wěn)定性三項氣動性能的關鍵部位。

（2）調節(jié)閥的閥碟采用了內凹型設計，汽流自喉部噴射后，迅速脫離閥碟，并在閥座的曲線收斂段形成附著流，避免了流經閥碟表面的周向流體的相互摻混帶來的能量損失。

（3）在調節(jié)閥的喉部出口，汽流流入內凹型空間減速、擴壓，閥座壁面邊界層因逆壓梯度作用而回流，形成閥座曲線收斂段壁面附近的渦流區(qū)。

參考文獻

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