崔增娥

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

汽輪機(jī)擴(kuò)壓調(diào)節(jié)閥的流體力學(xué)研究

崔增娥

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

對(duì)于汽輪機(jī)而言調(diào)節(jié)閥是非常重要的組成部分，文中對(duì)擴(kuò)壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行詳細(xì)的流體力學(xué)分析研究，得出不同類(lèi)型擴(kuò)壓調(diào)節(jié)閥的使用范圍。

汽輪機(jī)；擴(kuò)壓調(diào)節(jié)閥；損失系數(shù)；提升力

0 引言

汽輪機(jī)的啟停和變功率是通過(guò)調(diào)節(jié)閥開(kāi)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(lái)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)性能的好壞對(duì)整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生直接影響。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，曾經(jīng)發(fā)生類(lèi)似閥桿振動(dòng)、閥桿斷裂、閥座拔起等事故［1－2］，直接影響機(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［3］，而汽流流動(dòng)的不穩(wěn)定與流動(dòng)的邊界有密切關(guān)系。

因此，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)性還是安全性來(lái)考慮，研究和分析調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場(chǎng)，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)閥具有重要的工程實(shí)際意義。

本文將對(duì)擴(kuò)壓調(diào)節(jié)閥的特性進(jìn)行流體力學(xué)研究分析，以便從中掌握其優(yōu)點(diǎn)和最佳范圍。

1 研究方法

本文專(zhuān)門(mén)針對(duì)有、無(wú)擴(kuò)壓器的圓型入口進(jìn)行流體力學(xué)和提升力的研究。

在研究中采用損失系數(shù)ζ來(lái)表征阻力，

式中：△P1-2為調(diào)節(jié)閥前后的壓力差；CF0為最小截面上的平均速度；P0為調(diào)節(jié)閥最窄截面上的絕對(duì)壓力。

這是對(duì)于擴(kuò)壓器最小截面而言的，將最小截面上的平均速度CFo=G·vo/Fo，帶入上式后得

式中：F0為最小截面積；vo為最小截面上的比容；G為流過(guò)閥的流量。

當(dāng)閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，也就是在擴(kuò)壓器喉部截面上流動(dòng)速度比較小時(shí)若采用ζ的定義，用調(diào)節(jié)閥前的比容v1代替vo不會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。在沒(méi)有擴(kuò)壓器的閥中ζ＞1，而在具有擴(kuò)壓器的閥中ζ＜1。所以損失系數(shù)必須是對(duì)出口截面F2而言的，可以用v1代替調(diào)節(jié)閥后的比容v2：

式中：ζ′為對(duì)于出口直徑而言的損失系數(shù)；F2為出口截面積。

損失系數(shù)ζ′一方面與構(gòu)造式樣有關(guān)，另一方面取決于流動(dòng)參數(shù)（臨界馬赫數(shù)、雷諾數(shù)）。

在閥中，提升力是升程的函數(shù)，對(duì)于任意的升程0≤H≤∞，提升力可以表示為

式中：ξ為在確定升程H時(shí)的力的系數(shù)；Fsi為主閥錐閥座截面積；P1為調(diào)節(jié)閥前的絕對(duì)壓力；PG為關(guān)閉閥時(shí)的絕對(duì)出口壓力；Psp為閥桿提升力。式中ξ值必須根據(jù)試驗(yàn)決定。該方程式對(duì)沒(méi)有卸載和有卸載的閥均可適用。當(dāng)系數(shù)ξ已知時(shí)，對(duì)于任意大小和幾何相似的閥，在任意的閥前壓力P1和背閥出口壓力PG下，其提升力的變化均可被確定。

沒(méi)有卸載的閥，當(dāng)零點(diǎn)升程時(shí)ξ=1，在有卸載時(shí)，最大提升力產(chǎn)生在中間升程H*時(shí)，此時(shí)ξmax＜1。（1-ξmax）代表卸載度，用它可以確定在與尺寸相同而沒(méi)有卸載閥的相反情況下必須使用的最大提升力（在閥桿直徑Dsp=0時(shí)）。

2 研究描述

2.1 流動(dòng)研究

本文研究的閥是圓型入口型面輪廓，具有擴(kuò)壓器相對(duì)長(zhǎng)度（其中LD是擴(kuò)壓管長(zhǎng)、D0是最窄直徑）LD/D0=0～8，且相應(yīng)擴(kuò)壓器面積比為F2/F0=1～8，擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓角設(shè)計(jì)成 2θ=6°～14°。雷諾數(shù)在 10×105～25×105的范圍內(nèi)不能確定損失系數(shù)ζ或者ζ′與雷諾數(shù)之間的關(guān)系，但可表征臨界馬赫數(shù)的影響。

圖1給出了兩種不同流入口型面輪廓的損失系數(shù)ζ′與臨界馬赫數(shù)之間的關(guān)系曲線(xiàn)。在高的臨界馬赫數(shù)范圍內(nèi)可見(jiàn)ζ′的曲線(xiàn)上升。在運(yùn)行時(shí)，馬赫數(shù)M*a=0.2～0.3，所以在調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，這種影響不必考慮。

從圖1也可以看到流入口輪廓C的損失要小10%左右，但由于它有較大的密封面積，其最大提升力必須增大50%左右。由此估計(jì)密閉角小于45°，當(dāng)密閉角小于45°時(shí)，閥桿有卡住的危險(xiǎn)。鑒于最大提升力小，因此形式A被認(rèn)為是最合適的，同時(shí)在后面連接一段短的均衡段后可以使氣流速度分布均勻地進(jìn)入擴(kuò)壓器。

圖2給出了在不同擴(kuò)壓角下?lián)p失系數(shù)ζ′與擴(kuò)壓器面積比F2/F0的關(guān)系曲線(xiàn)。圖中的數(shù)值是相應(yīng)于馬赫數(shù)M※a=0.25，但對(duì)于=0.2～0.3范圍內(nèi)也可以使用，且沒(méi)有很大的誤差。最有利的擴(kuò)壓角是2θ=8°，對(duì)于全開(kāi)的閥所需要的最佳升程值是H/D0=0.33。

圖2 擴(kuò)壓角2θ和面積比F2/F0對(duì)損失系數(shù)ζ′的影響（=0.25，A的流入口型線(xiàn)）

2.2 力的研究、流量特性曲線(xiàn)

圖3 沒(méi)有卸載擴(kuò)壓閥的力系數(shù)ξ變化過(guò)程（形式A 的流入口，2θ=12°，F(xiàn)2/F0=2.63，mD=0.43）

力的系數(shù)ξ變化過(guò)程與比值mD（閥后噴管面積FD與閥的截面積F0之比，即mD=FD/F0）有關(guān)。圖3給出了沒(méi)有卸載擴(kuò)壓閥的ξ變化過(guò)程，該曲線(xiàn)是在壓比P1/PG=10～3和最窄直徑P1/PG=10～3和D0=30～60 mm的多次測(cè)量中得來(lái)的。對(duì)于大的mD比值曲線(xiàn)在圖示的曲線(xiàn)之上；對(duì)于小的mD比值曲線(xiàn)在圖示的曲線(xiàn)之下；對(duì)于mD=0的，ξ變化過(guò)程與坐標(biāo)軸重合。

圖4給出的是具有卸載擴(kuò)壓閥的ξ變化過(guò)程曲線(xiàn)。對(duì)于H/D=0，ξ0是由預(yù)啟閥閥座處的截面與主閥閥座截面的比值來(lái)確定，即

其中：dsi為預(yù)啟閥錐閥座直徑，Dsi為主閥錐閥座直徑，F(xiàn)si為主閥錐閥座截面積，fsi為預(yù)啟閥錐閥座截面積。

圖4 卸載擴(kuò)壓閥的力系數(shù)ξ的變化過(guò)程（形式A的單流入口，2θ=12°，F(xiàn)2/F0=2.63，mD=0.43）

當(dāng)閥桿直徑很小時(shí)，其最大的數(shù)值ξmax在H/D=0.22時(shí)約為0.6，即卸載系數(shù)1-ξmax=40%。

3 結(jié)論

1）從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，最有利的閥是具有圓型流入口輪廓的閥門(mén)。

2）最有利的沒(méi)有卸載擴(kuò)壓閥的是形式A，流入口輪廓擴(kuò)壓角2θ=12°，具有半球形閥錐和面積比F2/F0=1.43～3.77，最大升程 H/D0=0.33。

3）沒(méi)有卸載的擴(kuò)壓閥較易制造，不需要復(fù)雜的進(jìn)汽室，此外還能保持很好的密封。

4）具有銳棱流入口的閥，由于流體力學(xué)和力的不良特性，應(yīng)該避免采用。

5）在沒(méi)有卸載的擴(kuò)壓閥上，若最大的力達(dá)到不允許的數(shù)值，必須采用卸載的擴(kuò)壓閥。

［1］鄭紹臣，高福升.汽輪機(jī)調(diào)速汽門(mén)閥桿斷裂原因及結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.中國(guó)電力，1996，29（10）：63-65.

［2］李祥苓，林西奎，寒奎政，等.國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組高調(diào)節(jié)汽門(mén)閥桿斷裂事故分析［J］.中國(guó)電力，2002，35（10）：21-24.

［3］毛靖儒，屠刪，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（10）：687-690.

（編輯 昊 天）

TK264

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1002-2333（2015）06-0238-02

崔增娥（1976—），女，工程師，工程碩士，主要研究方向?yàn)槠啓C(jī)設(shè)計(jì)及電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2014-10-30