0 概述

近年來，汽輪機的啟動和停止以及功率的變化是通過改變進入汽輪機的蒸汽流量或蒸汽參數(shù)來實現(xiàn)的。顯然，調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動特性和工作可靠性對整個汽輪機的安全經(jīng)濟運行有重要影響。調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流道為雙喉噴嘴，流動分布變化規(guī)律復(fù)雜，研究分析汽輪機調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場，分析其整體性能和流場細(xì)節(jié)，研究損失機制，提出優(yōu)化閥盤和閥座線的方案，提高調(diào)節(jié)閥的可靠性和經(jīng)濟性。

調(diào)節(jié)閥作為汽輪機蒸汽系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是行業(yè)工作效率和安全最具挖掘潛力的部分，但由于缺乏先進的測試儀器和手段，閥門流動特性系統(tǒng)研究不多，國外使用二維軸對稱模型視覺實驗研究和三元模型試驗，但實際閥門由于流動變化引起的振動流場沒有顯示。到目前為止，工程設(shè)計中調(diào)節(jié)閥的流動特性參數(shù)主要是指一些設(shè)計手冊中提供的經(jīng)驗公式和系數(shù)，估計誤差很大，阻礙了閥門質(zhì)量的提高。CFD數(shù)值模擬技術(shù)為準(zhǔn)確預(yù)測和分析閥門的流動特性提供了有效的新途徑。本文為600MW超臨界汽輪機調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬分析對汽輪機調(diào)節(jié)閥的設(shè)計、運行和氣動性能優(yōu)化具有重要意義。

1　計算模型及網(wǎng)格劃分

1.1　幾何模型

調(diào)節(jié)閥采用兩組進氣閥，進氣閥體為主氣閥和調(diào)節(jié)氣閥的組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。閥體保留了主控制閥、閥桿、閥盤、閥座和進出口線的所有原型結(jié)構(gòu)。

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圖1

1.2　網(wǎng)格劃分及邊界條件

圖2給出了蒸汽流經(jīng)空間幾何通道的計算網(wǎng)格圖，在喉嚨等關(guān)鍵部位進行了網(wǎng)格局部加密和應(yīng)用Gambit網(wǎng)格劃分軟件生成調(diào)節(jié)閥非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)約120萬，使用Fluent6.2.并行計算軟件在曙光高速并行機上計算全三維流場。基本方程為三維可壓N2S方程，采用非耦合求解器，采用隱式算法，定常流動。采用定比熱計算，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k2ω模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進行處理。邊界條件給定進口總壓、總溫和出口靜壓。

表1　調(diào)節(jié)閥邊界條件

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表1給出了超臨界調(diào)節(jié)閥進出口的邊界條件，其中蒸汽進口湍流為3%，水力直徑為250mm；出口湍流為8%，水力直徑為172mm。

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圖2　調(diào)節(jié)閥局部計算網(wǎng)格

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2　計算結(jié)果分析

2.1　調(diào)節(jié)閥馬赫數(shù)等值線分析

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圖3 調(diào)節(jié)閥汽流馬赫數(shù)等值線圖(100%開度)

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圖4 調(diào)節(jié)閥汽流馬赫數(shù)等值線圖(50%開度)

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圖5　調(diào)節(jié)閥汽流馬赫數(shù)等值線圖（30%開度）

圖3、圖4和圖5分別給出了100%、50%和30%開度下馬赫數(shù)等值線圖。如圖所示，隨著開度的降低，馬赫數(shù)的最大值增加，從100%開度到0.馬赫數(shù)最大值增加到30%.4.由于閥體內(nèi)空間較大，在通過閥盤和閥座組成的環(huán)形通道前，流體速度變化較小，速度較低。隨著開度和通流能力的降低，閥體內(nèi)大空間的流量逐漸下降，馬赫數(shù)從100%開始.當(dāng)009降至30%開度時.03.如圖所示，馬赫數(shù)變化較大的區(qū)域主要集中在環(huán)形通道和閥碟下的擴壓區(qū)。

當(dāng)最大開度（100%）時，調(diào)節(jié)閥中心表面兩側(cè)形成強射流，且不對稱。中心表面左側(cè)（靠近主蒸汽入口側(cè)）的蒸汽流從喉部噴出，然后形成閥座附著流；中心表面右側(cè)（遠(yuǎn)離主蒸汽入口側(cè)）的蒸汽流從喉部噴射后形成較大的蒸汽流影響區(qū)，蒸汽流噴射的影響區(qū)一直延續(xù)到出口。兩側(cè)的蒸汽流混合，相互影響形成不對稱匯流。原因是在此開度（100%）下，閥門開度較大，主蒸汽閥的蒸汽通過左側(cè)流動90°旋轉(zhuǎn)直接流經(jīng)調(diào)節(jié)閥喉部至出口，右側(cè)蒸汽流為流經(jīng)調(diào)節(jié)閥桿的圓柱繞流。在流動過程中，蒸汽流量在較大的調(diào)節(jié)閥空間中擴大，流量較低。

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圖6 馬赫數(shù)等值線喉部放大圖(30%開度)

圖6顯示了30%開度時馬赫數(shù)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，無汽流混合。由于閥盤的獨特設(shè)計，高速流體附著在閥座壁上。閥盤下部設(shè)有間隙邊緣，使汽流從閥盤表面強制分離。這種流動特性一直持續(xù)到出口。在閥盤下方至出口的擴壓區(qū)，除了靠近墻面區(qū)域的流體外，

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2.2　不同工況開度下調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動分布

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圖7 蒸汽閥氣流及局部放大圖(100%開度)

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圖8 蒸汽閥氣流及局部放大圖(50%開度)

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圖9 蒸汽閥氣流及局部放大圖(30%開度)

圖7、圖8和圖9顯示了蒸汽閥在不同工作條件下的蒸汽流量。從圖中可以看出，不同尺寸的渦流系統(tǒng)分布和調(diào)節(jié)閥空間中的參數(shù)變化。在100%的工作條件下，調(diào)節(jié)閥具有較強的通流能力，從喉部到出口區(qū)間的蒸汽流量混合，這里的參數(shù)變化緩解。隨著開度的降低，調(diào)節(jié)閥的通流能力減弱，喉部區(qū)域的參數(shù)變化劇烈，但喉部出口區(qū)域的流相對清晰，沿喉部周向出口的氣流不混合。因此，可以進一步說明，閥盤的凹面設(shè)計減少了不同開口條件下蒸汽流量混合造成的能量損失。

3　結(jié)論

(1)由閥盤和閥座組成的環(huán)形通道是三個氣動性能的關(guān)鍵部流場特性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件。

(2)調(diào)節(jié)閥的閥盤采用凹形設(shè)計。汽流從喉部噴射后，迅速脫離閥盤，在閥座曲線收斂段形成附著流，避免了流經(jīng)閥盤表面周向流體的能量損失。

（3）在調(diào)節(jié)閥的喉出口，蒸汽流入凹面空間，減速和擴大壓力。由于反向壓力梯度，閥座壁邊界層回流，形成閥座曲線收斂段壁附近的渦流區(qū)。

參考文獻

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