汽輪機(jī)GX1型調(diào)節(jié)閥流動(dòng)特性的試驗(yàn)與數(shù)值研究

1、汽輪機(jī)GX1型調(diào)節(jié)閥流動(dòng)特性的試驗(yàn)與數(shù)值研究汽輪機(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，所以調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動(dòng)特性和工作可靠性對(duì)整個(gè)汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要的影響。尤其在部分負(fù)荷工況下，不僅有較大的能量損失，而且可能引起閥門的振動(dòng)。本文對(duì)GX-1型調(diào)節(jié)閥的流動(dòng)特性和工作性能進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究13。    長(zhǎng)期以來，我國(guó)針對(duì)閥門流動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究的并不多，其主要原因是由于缺乏先進(jìn)的測(cè)試儀器和手段而很難測(cè)試出閥門內(nèi)部的流場(chǎng)。近十幾年來，國(guó)內(nèi)做過一些簡(jiǎn)單的試驗(yàn)并結(jié)合理論分析來推測(cè)閥內(nèi)的流動(dòng)情況4，5。目前，國(guó)內(nèi)外的研

2、究者在三維湍流流動(dòng)、非定常流動(dòng)及流體激振等方面都做了大量的研究工作，但是應(yīng)用于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的并不多6，7。    調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，閥內(nèi)氣體的流動(dòng)是典型的非定常內(nèi)流問題。本文針對(duì)汽輪機(jī)常用的GX-1型調(diào)節(jié)閥進(jìn)行模型試驗(yàn)，采用高頻動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)及微小型壓力傳感器等先進(jìn)測(cè)試設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并且結(jié)合數(shù)值計(jì)算和理論分析，深入研究閥門內(nèi)氣體的流動(dòng)特性。    1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y(cè)點(diǎn)布置和計(jì)算截面位置    本文采用空氣作為工質(zhì)進(jìn)行模型試驗(yàn)。為了提高來流的均勻性，在模型閥前裝置了擴(kuò)壓段、絲網(wǎng)層、穩(wěn)壓筒和收斂段。

3、由高壓氣源來的氣流進(jìn)入調(diào)節(jié)閥的閥碟和閥座間的環(huán)形通道流出后轉(zhuǎn)折90°流入閥座，經(jīng)閥座漸擴(kuò)段擴(kuò)壓后排出，如圖1所示。實(shí)際的閥腔形狀多樣，試驗(yàn)采用矩形剖面，閥腔的長(zhǎng)、寬、高分別在X、Y、Z方向(其中長(zhǎng)、寬相等)，相應(yīng)的速度分量為u、v、w。    為全面認(rèn)識(shí)閥體內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)形成的復(fù)雜流動(dòng)特性，在閥門各關(guān)鍵部位設(shè)置了測(cè)點(diǎn)，如閥腔進(jìn)口、閥腔頂端、閥座進(jìn)口、閥座收縮段、閥座喉部、閥座漸擴(kuò)段、閥座出口、閥碟頭部等。動(dòng)態(tài)壓力采用直徑為1.6mm的超微型壓力傳感器及其高頻動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)來測(cè)定。    同時(shí)，本文對(duì)GX-1型調(diào)節(jié)閥在全開和非全開工

4、況下的流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，詳細(xì)分析討論了調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣體的流動(dòng)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)。數(shù)值計(jì)算也以空氣作為工質(zhì)，采用有限差分法，將計(jì)算模型離散成貼體非均分網(wǎng)格。計(jì)算截面位置見圖1，包括以下截面：閥腔頂端A-A、閥座上方閥碟繞流處B-B和C-C、閥座喉部D-D、閥座出口E-E和閥腔X方向中心和Y方向中心截面。    2 動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試結(jié)果分析    試驗(yàn)是在不同壓比和相對(duì)升程下進(jìn)行的。壓比為閥后壓力與閥前壓力之比，相對(duì)升程為調(diào)節(jié)閥桿的提升高度與閥碟-閥座的配合直徑之比。試驗(yàn)壓比范圍為0.400.95，相對(duì)升程范圍為3.7%41.0%。本文中動(dòng)態(tài)壓力的脈動(dòng)峰峰

5、值(變化值)用p表示，相對(duì)升程L=10%20%稱為中等升程，壓比=0.60.7稱為中等壓比。    圖2圖5是閥內(nèi)各測(cè)點(diǎn)在不同壓比和相對(duì)升程工況下的壓力脈動(dòng)變化。根據(jù)圖2可知，閥腔進(jìn)口(閥腔進(jìn)氣側(cè)底端)、閥腔頂端和閥座進(jìn)口表面的壓力脈動(dòng)，在一般工況下都小于5kPa，只有在壓比接近臨界壓比時(shí)，壓力脈動(dòng)才開始增大。這說明在調(diào)節(jié)閥進(jìn)口處流動(dòng)是穩(wěn)定的，而且在氣流進(jìn)入閥碟和閥座形成的流道之前，氣流仍比較均勻。    真正能反映閥內(nèi)流動(dòng)情況的應(yīng)是閥碟與閥座形成的環(huán)形流道及閥座漸擴(kuò)段內(nèi)的壓力與流速變化，所以我們主要以這些位置測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值大小來

6、分析并判斷閥內(nèi)氣體的流動(dòng)特性。從圖3可知，在兩種中等升程下，閥座喉部壓力脈動(dòng)隨變化不大，而且對(duì)應(yīng)任何壓比的p變化不超過0.2kPa。圖4是在各種壓比下p隨升程的變化，p變化比較平緩，不超過0.3kPa，與其他類型的調(diào)節(jié)閥相比，p數(shù)值較小。結(jié)合圖3和圖4，在中等壓比和中等升程時(shí)，p相對(duì)其他工況變化較大，說明此時(shí)流場(chǎng)比較混亂，流動(dòng)出現(xiàn)既附著于閥座，也附著于閥碟的流型交變，但強(qiáng)度并不大。    GX-1型調(diào)節(jié)閥是型線閥，閥碟和閥座的型線均為錐形，這有助于氣流轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)的建立，而且閥座擴(kuò)散角(3°)適當(dāng)，對(duì)閥座下游段的擴(kuò)壓有利。從圖5a可以看出，當(dāng)閥座收縮段在中

7、大升程以下工況時(shí)，壓力脈動(dòng)不大，比較平緩。從圖5b可看出，在大壓比工況時(shí)，閥座漸擴(kuò)段的壓力脈動(dòng)不大；在中大升程以下工況時(shí)，閥座漸擴(kuò)段的p脈動(dòng)幅值隨著升程提高而增大，隨壓比的增大而減小。在中小壓比、中大升程時(shí)，p較大，幅值達(dá)到30kPa左右。但是，通過頻譜分析可知，氣流脈動(dòng)與閥門固有頻率不同，不會(huì)發(fā)生共振。從圖5可以看出，在小壓比、大升程時(shí)，p最大而且自身變化最大。閥座漸擴(kuò)段的p脈動(dòng)幅值比收縮段的大。    3 數(shù)值模擬結(jié)果分析    本文著重研究調(diào)節(jié)閥非全開的工況。圖6-圖7所示為中等壓比(=0.63)、中等相對(duì)升程(L=14.8%)

8、的工況.從圖6、圖7可看出，當(dāng)均勻來流進(jìn)入閥腔的進(jìn)氣口后，一部分直接流向閥座喉部，另一部分繞流閥桿套筒后再轉(zhuǎn)折90°流向喉部，還有一部分繞流到閥桿套筒背后再轉(zhuǎn)折流出.在進(jìn)口側(cè)的閥腔角落，由于流動(dòng)轉(zhuǎn)折劇烈，所以此處容易出現(xiàn)旋渦和流動(dòng)死區(qū)，流動(dòng)不均勻并且流速低.閥門內(nèi)的流動(dòng)視為節(jié)流過程，雖然閥門的進(jìn)、出口氣流焓值相同，但能量品質(zhì)卻降低了，另外會(huì)帶來巨大的噪聲，在大壓比和小升程時(shí)尤甚。氣流閥桿套筒繞流后出現(xiàn)分離現(xiàn)象，進(jìn)氣速度越大，能量損失也越大，但若進(jìn)氣速度過小，由于粘性作用，繞流時(shí)可能很早就出現(xiàn)邊界層分離。    閥碟和閥座之間形成的是一個(gè)環(huán)形縮放通道，其大

9、小隨著升程的變化而改變。同時(shí)，在閥座中也存在一個(gè)縮放通道，這可以看作是由2個(gè)縮放通道串聯(lián)和并聯(lián)而成的雙喉噴管。閥門的通流能力要受到這2個(gè)喉管中最小一個(gè)面積的制約。在升程減小的過程中，通道內(nèi)的流速不斷增高，在臨界狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)激波。這會(huì)誘發(fā)流動(dòng)狀態(tài)的突變，使流動(dòng)嚴(yán)重不穩(wěn)定，而氣體的脈動(dòng)可能會(huì)引起閥桿甚至整個(gè)閥門管道系統(tǒng)的振動(dòng)，出現(xiàn)嚴(yán)重事故。沿著閥碟表面運(yùn)動(dòng)的氣體速度并不高，它們與閥碟和閥座間的環(huán)形通道中的氣體碰撞匯合，引起較大損失。由閥碟下方直接進(jìn)入喉部的氣體與繞流閥桿后轉(zhuǎn)折進(jìn)入喉部的氣體在閥座喉部以下的漸擴(kuò)段碰撞，圖6和圖7清楚地表明了這一點(diǎn)。從喉部流出的氣流進(jìn)入漸擴(kuò)段后開始擴(kuò)壓，壓力升高，速度

10、降低。部分氣體在逆壓梯度的作用下會(huì)出現(xiàn)分離。分離區(qū)不僅帶來能量損失，還會(huì)使有效通流面積減小。    對(duì)于閥座喉部，小壓比時(shí)是高速射流，中等壓比和中等升程時(shí)流場(chǎng)比較混亂，流動(dòng)既附著于閥座，也附著于閥碟，但當(dāng)升程增大后，情況變得規(guī)律，形成的一對(duì)渦比較穩(wěn)定，使得閥座出口流場(chǎng)也能比較穩(wěn)定。當(dāng)壓比增大后，在小升程時(shí)，閥座喉部出現(xiàn)向心射流。當(dāng)升程增大時(shí)，閥座喉部氣流發(fā)展為附著于閥座的流動(dòng)，使得閥座出口的流動(dòng)附著于壁面而穩(wěn)定。不論是高速射流還是附著閥座或閥碟的流動(dòng)，只要流態(tài)穩(wěn)定，不出現(xiàn)交變流型，則氣體脈動(dòng)力就不大。    本文的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果之間是吻合的，這種型線的閥門在中等壓比和中等升程時(shí)比較容易出現(xiàn)交變流型，但如果引起的流場(chǎng)脈動(dòng)強(qiáng)度不大，閥門并不出現(xiàn)不穩(wěn)定工況。與此同時(shí)，對(duì)流場(chǎng)脈動(dòng)頻率特性也進(jìn)行了研究，分析結(jié)果與以上結(jié)論是一致的。    4 結(jié)論    (1)試驗(yàn)表明，在一般工作的亞臨界條件下，GX-1型調(diào)節(jié)閥沒有出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定工況和振動(dòng)現(xiàn)象，氣流脈動(dòng)強(qiáng)度微弱，各工況脈動(dòng)壓力的幅值與全開工況的相當(dāng)。