汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的新思路
1 前言
汽輪機(jī)的啟停和功率的變化是通過調(diào)節(jié)閥開度的變化，從而改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量或蒸汽參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。作為汽輪機(jī)進(jìn)汽機(jī)構(gòu)的重要組成部分，調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)性能的好壞會(huì)對整個(gè)汽輪機(jī)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生直接的影響。另外，調(diào)節(jié)閥中閥體的振動(dòng)現(xiàn)象也存在于實(shí)際的運(yùn)行中，類似閥桿振動(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(jī)組的安全工作。造成閥體振動(dòng)的主要原因是調(diào)節(jié)閥內(nèi)汽流流動(dòng)的不穩(wěn)定，而汽流流動(dòng)的不穩(wěn)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)無法控制，流動(dòng)中產(chǎn)生的擾動(dòng)向外擴(kuò)散和不斷增長，從而造成了汽流流動(dòng)的不穩(wěn)定。因此，無論是從經(jīng)濟(jì)性的角度還是安全性的角度來考慮，研究和分析汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場，優(yōu)化其氣動(dòng)性能，減小流動(dòng)損失和穩(wěn)定汽流，提高調(diào)節(jié)閥的流動(dòng)效率和安全性，最終設(shè)計(jì)出汽動(dòng)性能良好的調(diào)節(jié)閥無疑有重要的工程實(shí)際意義。
2 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀
目前調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要基于冷態(tài)單閥體對比試驗(yàn)，獲得流量特性、卸載室特性、提升力和相對穩(wěn)定性基本特性，從中挑選出較優(yōu)的型線組合方案，提供定常條件下的設(shè)計(jì)依據(jù)。實(shí)際調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)計(jì)算主要依據(jù)流動(dòng)相似理論、流體力學(xué)的相關(guān)原理和冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定設(shè)計(jì)工況條件下幾個(gè)關(guān)鍵部位尺寸，比如調(diào)節(jié)閥配合直徑、閥座喉部和出口直徑。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法比較簡單，對大部分定常流態(tài)的運(yùn)行負(fù)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(zhǔn)則數(shù)都相等。與常規(guī)流體機(jī)械不同，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)產(chǎn)生非定常流動(dòng)現(xiàn)象不僅隨機(jī)性強(qiáng)，而且極其微妙和敏感。運(yùn)行現(xiàn)場很難準(zhǔn)確捕獲發(fā)生流固耦合現(xiàn)象的根源所在，模化試驗(yàn)又難于真實(shí)重現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。正是這些原因，調(diào)節(jié)閥模化設(shè)計(jì)欠缺實(shí)測和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，更談不上掌握其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，限制了相似理論的應(yīng)用，例如 Strouhal 時(shí)間相似準(zhǔn)數(shù)中參數(shù)的確定至今缺乏研究。也就是說調(diào)節(jié)閥發(fā)生流固耦合現(xiàn)象所涉及的非定常流動(dòng)缺乏�；O(shè)計(jì)方法。顯然，從模型設(shè)計(jì)、加工、試驗(yàn)到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到真實(shí)調(diào)節(jié)閥工作狀態(tài)的實(shí)物設(shè)計(jì)完成，整個(gè)過程不僅周期長花費(fèi)大，而且存在不少的不確定性，改進(jìn)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)方法是十分必要的。
3 調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的新思路
近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用數(shù)值模擬手段對復(fù)雜流動(dòng)問題進(jìn)行研究成為可能。數(shù)值模擬手段不僅可以節(jié)約大量的人力和資金，最重要的特點(diǎn)是可以模擬和展現(xiàn)調(diào)節(jié)閥真實(shí)工作在高溫高壓狀態(tài)下時(shí)其內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)的變化和分布規(guī)律，尤其對全負(fù)荷變化范圍都可以進(jìn)行細(xì)節(jié)信息的獲取。盡管調(diào)節(jié)閥內(nèi)的非定常流動(dòng)數(shù)值模擬研究還達(dá)不到實(shí)際要求，但在設(shè)計(jì)前首先進(jìn)行調(diào)節(jié)閥全工況范圍的三維真實(shí)工作參數(shù)和介質(zhì)的數(shù)值模擬研究不僅彌補(bǔ)了試驗(yàn)研究的短缺，更重要的是可提供試驗(yàn)無法獲得的數(shù)據(jù)。如為設(shè)計(jì)人員提供全面完整的流場信息，從而為降低流動(dòng)損失、改善閥門穩(wěn)定性提供思路，并能預(yù)測調(diào)節(jié)閥運(yùn)行實(shí)況。新的設(shè)計(jì)方法應(yīng)該是先選出多種閥門型線組合方案，然后進(jìn)行大量的數(shù)值模擬，從計(jì)算結(jié)果中獲得一定量指導(dǎo)性依據(jù)后，針對不同使用要求和配汽方式再進(jìn)行內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以完善設(shè)計(jì)。模化試驗(yàn)僅對典型工況和挑選的閥門型式進(jìn)行。最終結(jié)合試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)形成完整的設(shè)計(jì)方案，其設(shè)計(jì)流程如圖 1 所示。本思路對完善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不僅必要，而且完全可行，既可節(jié)省大量的試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，又可使設(shè)計(jì)水平顯著提高。
圖 1 調(diào)節(jié)閥新設(shè)計(jì)思路的流程圖
基于上述思路，文中將介紹調(diào)節(jié)閥三維流場的數(shù)值計(jì)算方法，并且對某特定工況下的調(diào)節(jié)閥流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在充分掌握閥門流動(dòng)特性和細(xì)節(jié)流動(dòng)信息的基礎(chǔ)上，對閥內(nèi)流場進(jìn)行初步優(yōu)化。。
4 數(shù)值計(jì)算方法
4.1 幾何結(jié)構(gòu)及湍流模型
我們以廠家提供的型線閥為例，基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，其中三維坐標(biāo)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(jī)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖
顯然，調(diào)節(jié)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(jì)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(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型，經(jīng)比較，兩者計(jì)算結(jié)果差別不明顯，最終選用較常用的標(biāo)準(zhǔn) 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(jì)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(shù)；T—汽體溫度；B 和 C—系數(shù)。
4.2 計(jì)算網(wǎng)格和邊界條件
由于調(diào)節(jié)閥型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圖 3 給出了調(diào)節(jié)閥的三維計(jì)算網(wǎng)格示意�；陂y門結(jié)構(gòu)的對稱性，計(jì)算時(shí)取其一半即可，網(wǎng)格單元數(shù)約為 90 萬。
圖 3 調(diào)節(jié)閥的三維計(jì)算網(wǎng)格
邊界條件按設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)給定的參數(shù)，進(jìn)口參數(shù)為：進(jìn)口總壓 P0 和總溫 T0，出口為靜壓 P1。因調(diào)節(jié)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(shù)法。壁面函數(shù)法采用半經(jīng)驗(yàn)公式來反映壁面對近壁區(qū)流動(dòng)的影響，在工程湍流的計(jì)算中得到了較為廣泛的應(yīng)用。壁面函數(shù)法又可分為兩種：標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法和非平衡壁面函數(shù)法，本文采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。汽流進(jìn)口考慮到電廠鍋爐管道經(jīng)過長距離輸送的充分混合后均勻進(jìn)入到汽輪機(jī)，因此，計(jì)算時(shí)調(diào)節(jié)閥進(jìn)口邊界汽流參數(shù)認(rèn)為是均勻的，同時(shí)只有沿管道的軸向速度 Vin。進(jìn)口湍流脈動(dòng)動(dòng)能Kin及耗散率εin參照管流經(jīng)驗(yàn)公式：
Kin = 0.5%×V2in
εin = K3/2in 3/4Cμ/δ
式中：Cμ=0.09，δ—進(jìn)口截面的當(dāng)量半徑。
5 算例分析
據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)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 為閥門的提升高度，D 為閥門的配合直徑。壓比 ε=P1/P0，P1 為閥門的出口靜壓力。通過對此種型線閥在不同升程和不同壓比條件下進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，能夠掌握閥門的整體流動(dòng)特性。調(diào)節(jié)閥的流道結(jié)構(gòu)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(kuò)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(nèi)汽流的氣動(dòng)參數(shù)基本上不發(fā)生變化，但當(dāng)汽流一進(jìn)入閥碟和閥座構(gòu)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。隨著汽流流入閥座擴(kuò)壓段，其靜壓力又會(huì)緩慢的增加直至出口。數(shù)值計(jì)算不但能夠掌握調(diào)節(jié)閥的整體流動(dòng)特點(diǎn)，更為重要的是它可以提供閥內(nèi)流場的細(xì)節(jié)信息，從而使設(shè)計(jì)者能夠通過對流場結(jié)構(gòu)的分析，找出流動(dòng)不合理的問題所在，并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整現(xiàn)有的閥碟或者閥座的型線，以達(dá)到改善閥門通流特性，降低損失，提高閥門穩(wěn)定性的目的。就本文所選取的調(diào)節(jié)閥來講，當(dāng)整個(gè)機(jī)組在額定工況下運(yùn)行時(shí)，閥門的相對升程 L=28.8%，壓比 ε=0.95，在此工況下對調(diào)節(jié)閥流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)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 等值線圖
整體而言，此工況下汽流的流速不高，Ma 數(shù)較小，氣流的流動(dòng)損失不大。但是在閥碟下方的局部區(qū)域內(nèi)存在的低速氣流，在這一區(qū)域內(nèi) Ma 數(shù)很小，其值不足 0.1，習(xí)慣上此區(qū)域被稱為空穴區(qū)�？昭▍^(qū)的形成是因?yàn)闅饬饕砸欢ǖ慕嵌攘魅腴y座，如圖 5 所示。當(dāng)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(qū)。在粘性輸運(yùn)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(nèi)壓力下降，形成低壓區(qū)。當(dāng)空穴內(nèi)汽體壓力下降到一定程度時(shí)，它周圍的汽流就會(huì)滲入進(jìn)來填補(bǔ)空穴，就這樣，空穴內(nèi)的汽流一邊不停地被抽吸走，一邊又有汽流進(jìn)來填補(bǔ)。這種抽吸行為是一種非穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)，空穴中氣壓時(shí)刻在變化，這樣就會(huì)導(dǎo)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)。此外對于閥門的通流特性來說，空穴區(qū)也是“無用區(qū)”。
圖 5 空穴區(qū)形成的結(jié)構(gòu)示意圖
為了有效地消除空穴區(qū)對閥門穩(wěn)定流動(dòng)的不利影響，首先我們對圖 4 所示工況的流場進(jìn)行分析，最直接的想法就是用實(shí)體部分填充空穴區(qū)，為此我們在閥碟下方延長出一塊和空穴區(qū)的形狀大小近似相同的部分。改型后的結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。
圖 6 改型后的型線結(jié)構(gòu)示意圖
對改型后的調(diào)節(jié)閥在與改型前完全相同的進(jìn)出口條件下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。其中分面上的 Ma 數(shù)分布如圖 7 所示。對比圖 4 和圖 7 可以發(fā)現(xiàn)，改型后的閥門整體上仍然維持低 Ma 數(shù)的流動(dòng)特點(diǎn)，并且閥碟下方的汽流速度相應(yīng)增加，同未改型前相比，Ma 數(shù)由原來的最低 0.05 變到 0.15 以上，也就是說空穴區(qū)基本消失。另一方面改型前后兩閥門的通流量分別為 40.912kg/s 和 41.273kg/s，可見對閥門的改型也并未影響通流能力。為此我們認(rèn)為改型方案是成功的。
圖 7 改型后調(diào)節(jié)閥中分面上的 Ma 數(shù)分布
以上我們用一個(gè)例子說明了本文所提出的新的調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)思路中，通過數(shù)值計(jì)算來了解內(nèi)部流場的細(xì)節(jié)，在此基礎(chǔ)上找到流場不合理的問題所在，并通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整閥門型線來優(yōu)化內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提高閥門氣動(dòng)性能的目的，這也是本文所提出的新閥門設(shè)計(jì)思路中的核心部分。
6 結(jié)束語
在深入分析現(xiàn)有汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出了新的調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)思路。在新的設(shè)計(jì)思路中引入數(shù)值計(jì)算的步驟，通過數(shù)值計(jì)算了解閥門內(nèi)部的細(xì)節(jié)流動(dòng)信息，找出流場不合理的問題所在，并通過適當(dāng)?shù)拇胧└纳坪蛢?yōu)化內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提高閥門氣動(dòng)性能和增強(qiáng)汽流穩(wěn)定性的目的。在此基礎(chǔ)上對典型工況進(jìn)行模型試驗(yàn)，最終完成閥門的設(shè)計(jì)。
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