周晶水

國(guó)電江西豐城發(fā)電有限公司檢修部，江西 宜春 331100

工業(yè)汽輪機(jī)作為驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)及給水泵的原動(dòng)機(jī)，在冶金、石化和發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛使用。杭州汽輪機(jī)股份有限公司引進(jìn)德國(guó)西門(mén)子公司的三系列工業(yè)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，已經(jīng)生產(chǎn)千余臺(tái)不同型號(hào)的汽輪機(jī)，滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求。隨著我國(guó)工業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展，近年來(lái)對(duì)大功率、高參數(shù)汽輪機(jī)的需求不斷增加。大功率、高參數(shù)汽輪機(jī)除對(duì)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性有很高要求外，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的每個(gè)調(diào)速執(zhí)行部件也有嚴(yán)格設(shè)計(jì)要求。調(diào)節(jié)閥就是調(diào)速系統(tǒng)重要的執(zhí)行部件之一，它的工作狀態(tài)好壞，直接影響汽輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。近年來(lái)，個(gè)別汽輪機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥振動(dòng)嚴(yán)重的現(xiàn)象，危及機(jī)組的安全運(yùn)行，也影響了工藝流程的正常進(jìn)行[1，2]。研究表明，調(diào)節(jié)閥的振動(dòng)主要是由于汽流的不穩(wěn)定而誘發(fā)的。而汽流的不穩(wěn)定又與流動(dòng)工況和調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。本文提出了鐘罩閥的閥碟類(lèi)似一個(gè)鐘罩扣在閥座上，閥座生出三根筋板支撐上部的導(dǎo)流錐，通過(guò)閥碟的上下移動(dòng)改變開(kāi)度實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制，從而解決了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的汽流激振問(wèn)題。

1 調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)分析

調(diào)節(jié)閥在高溫高壓的蒸汽條件下工作，其流動(dòng)為三維、可壓縮、粘性湍流流動(dòng)?？刂品匠滩捎肗avier-Stokes方程，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，工作介質(zhì)為水蒸汽，熱力性質(zhì)參數(shù)的計(jì)算基于IAPWS—IF97。調(diào)閥升程按實(shí)際運(yùn)行情況選取，相對(duì)升程8.3%。邊界條件按實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)給定。進(jìn)口條件為，汽流總溫406.6℃，總壓4.31MPa；出口條件為靜壓3.11MPa。壁面采用絕熱假定。

對(duì)建立的調(diào)節(jié)闊模型進(jìn)行計(jì)算。得出了汽流在閥內(nèi)的流動(dòng)情況。對(duì)采用改進(jìn)的鐘罩閥和原溢流閥所得出的結(jié)果進(jìn)行比較；并在鐘罩閥的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變閥座的裝配角度，得出不同的結(jié)果進(jìn)行比較。

2 改進(jìn)的鐘罩閥與原溢流閥比較

已有的研究表明，調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)的變化主要體現(xiàn)在閥碟下端部與閥座上端部構(gòu)成的漸縮通道和閥座通道固定的噴管喉部?jī)蓚€(gè)位置。當(dāng)蒸汽流入這部分時(shí)，隨著流通面積的減少，靜壓迅速降低，壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，速度增加。在流入閥座的擴(kuò)壓段后，靜壓又會(huì)逐漸地增加至閥門(mén)出口，這種流動(dòng)情境況在本次研究的兩種閥內(nèi)的流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

對(duì)原溢流閥進(jìn)行模擬，由于調(diào)閥升程較小，調(diào)閥內(nèi)的流動(dòng)呈現(xiàn)高速的自由射流。汽流在閥碟端部出現(xiàn)分離，有一部分汽流上揚(yáng)流向閥碟的內(nèi)部空腔。并且在離進(jìn)氣側(cè)的遠(yuǎn)端尤為明顯。調(diào)節(jié)閥運(yùn)行過(guò)程中，這部分非對(duì)稱(chēng)的汽流渦動(dòng)不斷沖刷閥碟內(nèi)部，在頂端閥桿和閥碟的連接部位，汽流發(fā)生碰撞滯止，產(chǎn)生汽流激振，有可能誘發(fā)閥體縱向的振動(dòng)。汽流的對(duì)撞、滯止造成壓力的波動(dòng)是誘發(fā)閥碟振動(dòng)的主要原因。此外，在汽流渦團(tuán)切向力及附面層流體粘性的作用下，非穩(wěn)定汽流渦團(tuán)還有可能帶動(dòng)閥碟一齊周向轉(zhuǎn)動(dòng)。在現(xiàn)場(chǎng)拆卸下來(lái)的閥座也發(fā)現(xiàn)有明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)磨損，與模擬結(jié)果分析結(jié)論吻合。

從鐘罩閥內(nèi)部流場(chǎng)的縱剖面圖和閥碟位置的橫剖面圖可以看出，鐘罩閥的閥座填充掉了閥碟內(nèi)部的空腔，消除了原溢流閥汽流上揚(yáng)的情況；其下部設(shè)計(jì)有尾錐，補(bǔ)充了常規(guī)調(diào)節(jié)閥閥碟下面的“空穴區(qū)”。閥座上的導(dǎo)流箭板抑制了渦流的形成。閥座填充塊的下方盡管也存在小的渦流。但是閥座牢牢地固定在閥殼上，不會(huì)在周向和軸向產(chǎn)生振動(dòng)。

另外，從兩種閥縱剖面Ma數(shù)的分布來(lái)看，Ma數(shù)的最大值均出線在閥碟下方與閥座喉部之間的位置。鐘罩閥最大Ma數(shù)為0.7936，而溢流閥的最大Ma數(shù)為0.947，明顯大于前者，流動(dòng)損失更太。從整個(gè)流場(chǎng)Ma數(shù)的分布來(lái)看，溢流閥也都大于鐘罩閥?？梢?jiàn)鐘罩閥的穩(wěn)定性和原溢流閥相比，得到了顯著的改善。

在升程相同的情況下，蒸汽在原溢流閥和鐘罩閥內(nèi)通過(guò)的流量分別為58.67kg/s和42.13kg/s，這種流量減小，是由于鐘罩閥的閥碟是由三塊筋板固定在閥座上，這樣就減少了閥的有效流通面積，使鐘罩閥的通流能力有所降低，但改善流動(dòng)，減小氣流激振，使機(jī)組安全運(yùn)行更有保證，是主要解決的問(wèn)題。

鐘罩閥的改進(jìn)主要體現(xiàn)在閩座結(jié)構(gòu)的改變。鐘罩閥的閥座上有三根筋板，是均布在圓周上的。設(shè)計(jì)中要求裝配時(shí)其中一根筋板正對(duì)進(jìn)氣口。本文將閥座在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上周向偏轉(zhuǎn)600進(jìn)行模擬計(jì)算，與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較。改變后的鐘罩閥流堆為42.4kg/s，與原設(shè)計(jì)方案相差不大。經(jīng)過(guò)比較，在閥座偏轉(zhuǎn)后，正對(duì)進(jìn)氣側(cè)的流通部分存在兩個(gè)明顯的渦流，構(gòu)成了不穩(wěn)定的因素。改變后的鐘罩閥內(nèi)，Ma數(shù)最大值為0.925，整個(gè)流場(chǎng)Ma數(shù)的分布均大于原設(shè)計(jì)方案。與原溢流閥相近?？梢?jiàn)閥座偏轉(zhuǎn)后，雖然蒸汽流量相差不大。但是不穩(wěn)定因素增多，并不可取。

3 結(jié)論

鐘罩閥是針對(duì)原溢流閥在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行具有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)改造后的產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)其和原溢流閥以及改變閥座裝配位置3種流動(dòng)模擬計(jì)算的結(jié)果比較，得出以下結(jié)論：

1）原溢流閥閥碟內(nèi)部有空腔。閥碟端部汽流會(huì)流入空腔，對(duì)閥碟造成沖擊。流入空腔的汽流還伴有渦流的存在，這些都是造成閥體振動(dòng)的重要原因；

2）鐘罩閥的運(yùn)行穩(wěn)定性比原溢流閥有了顯著的提高。閥座的結(jié)構(gòu)改造，減少了誘發(fā)閥體振動(dòng)的影響因素。尤其在小升程、小流量的控制上具有優(yōu)越性；

3）鐘罩閥與溢流閥相比，在相同的提升行程時(shí)，由于有效面積較小，因此流量較??；

4）鐘罩閥內(nèi)閥座的周向裝配位置會(huì)影響汽流在閥內(nèi)的流動(dòng)。要求安裝時(shí)，其中一根筋板正對(duì)進(jìn)氣口。

[1]相曉偉，毛靖儒，孫弼.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥通流及損失特性研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(7).

[2]毛靖儒，屠珊，劉全恩，等.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動(dòng)特性的試驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2002，23(6).