上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)（集團）有限公司

1 前言

汽輪機的啟停和功率的變化是通過(guò)調節閥開(kāi)度的變化，從而改變進(jìn)入汽輪機的蒸汽流量或蒸汽參數來(lái)實(shí)現的。作為汽輪機進(jìn)汽機構的重要組成部分，調節閥氣動(dòng)性能的好壞會(huì )對整個(gè)汽輪機機組的經(jīng)濟性產(chǎn)生直接的影響。另外，調節閥中閥體的振動(dòng)現象也存在于實(shí)際的運行中，類(lèi)似閥桿振動(dòng)、閥桿斷裂、閥座拔起等事故曾經(jīng)發(fā)生1~2，直接影響了機組的安全工作。造成閥體振動(dòng)的主要原因是調節閥內汽流流動(dòng)的不穩定，而汽流流動(dòng)的不穩定又與流動(dòng)的邊界有密切的關(guān)系。不合理的流動(dòng)邊界使流體的流動(dòng)無(wú)法控制，流動(dòng)中產(chǎn)生的擾動(dòng)向外擴散和不斷增長(cháng)，從而造成了汽流流動(dòng)的不穩定。因此，無(wú)論是從經(jīng)濟性的角度還是安全性的角度來(lái)考慮，研究和分析汽輪機調節閥的內部流場(chǎng)，優(yōu)化其氣動(dòng)性能，減小流動(dòng)損失和穩定汽流，提高調節閥的流動(dòng)效率和安全性，最終設計出汽動(dòng)性能良好的調節閥無(wú)疑有重要的工程實(shí)際意義。

2 汽輪機調節閥設計的現狀

目前調節閥結構優(yōu)化主要基于冷態(tài)單閥體對比試驗，獲得流量特性、卸載室特性、提升力和相對穩定性基本特性，從中挑選出較優(yōu)的型線(xiàn)組合方案，提供定常條件下的設計依據。實(shí)際調節閥設計計算主要依據流動(dòng)相似理論、流體力學(xué)的相關(guān)原理和冷態(tài)試驗數據來(lái)確定設計工況條件下幾個(gè)關(guān)鍵部位尺寸，比如調節閥配合直徑、閥座喉部和出口直徑。傳統設計方法比較簡(jiǎn)單，對大部分定常流態(tài)的運行負荷仍是可靠的。

流動(dòng)相似理論指出：動(dòng)力相似需要模型和實(shí)物兩種流動(dòng)在時(shí)空相似條件下各相似準則數都相等。與常規流體機械不同，汽輪機調節閥內產(chǎn)生非定常流動(dòng)現象不僅隨機性強，而且極其微妙和敏感。運行現場(chǎng)很難準確捕獲發(fā)生流固耦合現象的根源所在，�；�試驗又難于真實(shí)重現不穩定現象。正是這些原因，調節閥�；�設計欠缺實(shí)測和試驗數據，更談不上掌握其內部流動(dòng)規律，限制了相似理論的應用，例如 Strouhal 時(shí)間相似準數中參數的確定至今缺乏研究。也就是說(shuō)調節閥發(fā)生流固耦合現象所涉及的非定常流動(dòng)缺乏�；�設計方法。顯然，從模型設計、加工、試驗到數據轉換到真實(shí)調節閥工作狀態(tài)的實(shí)物設計完成，整個(gè)過(guò)程不僅周期長(cháng)花費大，而且存在不少的不確定性，改進(jìn)調節閥設計方法是十分必要的。

3 調節閥設計的新思路

近年來(lái)，隨著(zhù)計算流體力學(xué)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，采用數值模擬手段對復雜流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究成為可能。數值模擬手段不僅可以節約大量的人力和資金，最重要的特點(diǎn)是可以模擬和展現調節閥真實(shí)工作在高溫高壓狀態(tài)下時(shí)其內部流動(dòng)參數的變化和分布規律，尤其對全負荷變化范圍都可以進(jìn)行細節信息的獲取。盡管調節閥內的非定常流動(dòng)數值模擬研究還達不到實(shí)際要求，但在設計前首先進(jìn)行調節閥全工況范圍的三維真實(shí)工作參數和介質(zhì)的數值模擬研究不僅彌補了試驗研究的短缺，更重要的是可提供試驗無(wú)法獲得的數據。如為設計人員提供全面完整的流場(chǎng)信息，從而為降低流動(dòng)損失、改善閥門(mén)穩定性提供思路，并能預測調節閥運行實(shí)況。新的設計方法應該是先選出多種閥門(mén)型線(xiàn)組合方案，然后進(jìn)行大量的數值模擬，從計算結果中獲得一定量指導性依據后，針對不同使用要求和配汽方式再進(jìn)行內部流場(chǎng)結構的優(yōu)化，以完善設計。�；�試驗僅對典型工況和挑選的閥門(mén)型式進(jìn)行。最終結合試驗和運行數據形成完整的設計方案，其設計流程如圖 1 所示。本思路對完善傳統設計方法不僅必要，而且完全可行，既可節省大量的試驗經(jīng)費，又可使設計水平顯著(zhù)提高。

圖 1 調節閥新設計思路的流程圖

基于上述思路，文中將介紹調節閥三維流場(chǎng)的數值計算方法，并且對某特定工況下的調節閥流場(chǎng)進(jìn)行數值計算。在充分掌握閥門(mén)流動(dòng)特性和細節流動(dòng)信息的基礎上，對閥內流場(chǎng)進(jìn)行初步優(yōu)化。。

4 數值計算方法

4.1 幾何結構及湍流模型

我們以廠(chǎng)家提供的型線(xiàn)閥為例，基本結構如圖 2 所示，其中三維坐標的 X 軸為汽流進(jìn)口方向，Y 軸為汽流出口的逆方向，右手定則確定 Z 軸方向。

圖 2 汽輪機調節閥結構示意圖

顯然，調節閥工作在高溫高壓蒸汽條件下，其流動(dòng)為三維、可壓縮、粘性湍流流動(dòng)。計算采用三維雷諾平均守恒型 Navier-Stokes 方程，湍流模型先后選用了 Realizablek-ε 模型和標準 k-ε 模型，經(jīng)比較，兩者計算結果差別不明顯，最終選用較常用的標準 k-ε 湍流模型。采用二階差分格式離散方程，用 SIMPLE 算法求解控制方程。氣體狀態(tài)方程計算公式：

P=ρRTa(1+Bρ+Cρ²)

其中：P—汽體壓力；ρ—汽體密度；R—汽體常數；T—汽體溫度；B 和 C—系數。

4.2 計算網(wǎng)格和邊界條件

由于調節閥型腔結構復雜，采用分塊結構化網(wǎng)格，圖 3 給出了調節閥的三維計算網(wǎng)格示意�；�于閥門(mén)結構的對稱(chēng)性，計算時(shí)取其一半即可，網(wǎng)格單元數約為 90 萬(wàn)。

圖 3 調節閥的三維計算網(wǎng)格

邊界條件按設計數據給定的參數，進(jìn)口參數為：進(jìn)口總壓 P₀ 和總溫 T₀，出口為靜壓 P₁。因調節閥外壁有保溫措施，所以壁面采用絕熱假定與實(shí)際有非常好的近似。對壁面附近的粘性支層的處理有兩種方法，即低 Re 模型和壁面函數法。壁面函數法采用半經(jīng)驗公式來(lái)反映壁面對近壁區流動(dòng)的影響，在工程湍流的計算中得到了較為廣泛的應用。壁面函數法又可分為兩種：標準壁面函數法和非平衡壁面函數法，本文采用標準壁面函數法。汽流進(jìn)口考慮到電廠(chǎng)鍋爐管道經(jīng)過(guò)長(cháng)距離輸送的充分混合后均勻進(jìn)入到汽輪機，因此，計算時(shí)調節閥進(jìn)口邊界汽流參數認為是均勻的，同時(shí)只有沿管道的軸向速度 V_in。進(jìn)口湍流脈動(dòng)動(dòng)能K_in及耗散率ε_in參照管流經(jīng)驗公式：

K_in = 0.5%×V²_in

ε_in = K^3/2_in ^3/4C_μ/δ

式中：C_μ=0.09，δ—進(jìn)口截面的當量半徑。

5 算例分析

據廠(chǎng)家提供的數據，調節閥的配合直徑 D 為 125mm，閥進(jìn)口總壓 P₀ 為 8.820MPa，進(jìn)口總溫 T₀為 808K。定義相對升程 L=L/D，其中 L 為閥門(mén)的提升高度，D 為閥門(mén)的配合直徑。壓比 ε=P₁/P₀，P₁ 為閥門(mén)的出口靜壓力。通過(guò)對此種型線(xiàn)閥在不同升程和不同壓比條件下進(jìn)行大量的數值計算，能夠掌握閥門(mén)的整體流動(dòng)特性。調節閥的流道結構主要分為 3 個(gè)部分：閥腔、閥碟下表面和閥座上表面組成的環(huán)行通道及閥座擴壓通道。汽流由進(jìn)口流入閥腔的較大空間后，流速有所減小，在閥腔內汽流的氣動(dòng)參數基本上不發(fā)生變化，但當汽流一進(jìn)入閥碟和閥座構成的環(huán)行通道后，在極其短的行程中，蒸汽劇烈的膨脹，靜壓迅速降低，流速快速增大，尤其在中小升程。隨著(zhù)汽流流入閥座擴壓段，其靜壓力又會(huì )緩慢的增加直至出口。數值計算不但能夠掌握調節閥的整體流動(dòng)特點(diǎn)，更為重要的是它可以提供閥內流場(chǎng)的細節信息，從而使設計者能夠通過(guò)對流場(chǎng)結構的分析，找出流動(dòng)不合理的問(wèn)題所在，并適當地調整現有的閥碟或者閥座的型線(xiàn)，以達到改善閥門(mén)通流特性，降低損失，提高閥門(mén)穩定性的目的。就本文所選取的調節閥來(lái)講，當整個(gè)機組在額定工況下運行時(shí)，閥門(mén)的相對升程 L=28.8%，壓比 ε=0.95，在此工況下對調節閥流場(chǎng)進(jìn)行數值計算，其 Ma 分布如圖 4 所示。

圖4 L=28.8%，ε=0.95 時(shí)中分面上的 Ma 等值線(xiàn)圖

整體而言，此工況下汽流的流速不高，Ma 數較小，氣流的流動(dòng)損失不大。但是在閥碟下方的局部區域內存在的低速氣流，在這一區域內 Ma 數很小，其值不足 0.1，習慣上此區域被稱(chēng)為空穴區�？昭▍^的形成是因為氣流以一定的角度流入閥座，如圖 5 所示。當加速汽流進(jìn)入閥座時(shí)，會(huì )使閥碟下部與氣流脫離并在其下方形成一個(gè)空穴區。在粘性輸運的作用下，空穴里的氣體會(huì )不斷被其下游的氣流帶走，這種抽吸作用會(huì )使空穴內壓力下降，形成低壓區。當空穴內汽體壓力下降到一定程度時(shí)，它周?chē)�的汽流就�?huì )滲入進(jìn)來(lái)填補空穴，就這樣，空穴內的汽流一邊不停地被抽吸走，一邊又有汽流進(jìn)來(lái)填補。這種抽吸行為是一種非穩態(tài)的流動(dòng)，空穴中氣壓時(shí)刻在變化，這樣就會(huì )導致作用在閥碟下部的壓力也發(fā)生脈動(dòng)變化，進(jìn)而可能引起閥體振動(dòng)。此外對于閥門(mén)的通流特性來(lái)說(shuō)，空穴區也是“無(wú)用區”。

圖 5 空穴區形成的結構示意圖

為了有效地消除空穴區對閥門(mén)穩定流動(dòng)的不利影響，首先我們對圖 4 所示工況的流場(chǎng)進(jìn)行分析，最直接的想法就是用實(shí)體部分填充空穴區，為此我們在閥碟下方延長(cháng)出一塊和空穴區的形狀大小近似相同的部分。改型后的結構如圖 6 所示。

圖 6 改型后的型線(xiàn)結構示意圖

對改型后的調節閥在與改型前完全相同的進(jìn)出口條件下進(jìn)行數值計算。其中分面上的 Ma 數分布如圖 7 所示。對比圖 4 和圖 7 可以發(fā)現，改型后的閥門(mén)整體上仍然維持低 Ma 數的流動(dòng)特點(diǎn)，并且閥碟下方的汽流速度相應增加，同未改型前相比，Ma 數由原來(lái)的最低 0.05 變到 0.15 以上，也就是說(shuō)空穴區基本消失。另一方面改型前后兩閥門(mén)的通流量分別為 40.912kg/s 和 41.273kg/s，可見(jiàn)對閥門(mén)的改型也并未影響通流能力。為此我們認為改型方案是成功的。

圖 7 改型后調節閥中分面上的 Ma 數分布

以上我們用一個(gè)例子說(shuō)明了本文所提出的新的調節閥設計思路中，通過(guò)數值計算來(lái)了解內部流場(chǎng)的細節，在此基礎上找到流場(chǎng)不合理的問(wèn)題所在，并通過(guò)適當的調整閥門(mén)型線(xiàn)來(lái)優(yōu)化內部流場(chǎng)結構，從而達到提高閥門(mén)氣動(dòng)性能的目的，這也是本文所提出的新閥門(mén)設計思路中的核心部分。

6 結束語(yǔ)

在深入分析現有汽輪機調節閥設計方法的基礎上，提出了新的調節閥設計思路。在新的設計思路中引入數值計算的步驟，通過(guò)數值計算了解閥門(mén)內部的細節流動(dòng)信息，找出流場(chǎng)不合理的問(wèn)題所在，并通過(guò)適當的措施改善和優(yōu)化內部流場(chǎng)結構，從而達到提高閥門(mén)氣動(dòng)性能和增強汽流穩定性的目的。在此基礎上對典型工況進(jìn)行模型試驗，最終完成閥門(mén)的設計。