王紅娟,屠珊,杜洋,魯敬妮

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

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聯(lián)合進(jìn)汽閥內(nèi)部流場(chǎng)三維數(shù)值模擬及閥碟受力分析

王紅娟,屠珊,杜洋,魯敬妮

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

針對(duì)聯(lián)合進(jìn)汽閥流道內(nèi)因湍流、旋渦產(chǎn)生壓損,進(jìn)而降低汽輪機(jī)組經(jīng)濟(jì)性這一問(wèn)題,建立由兩個(gè)主汽閥E、F及左側(cè)次大調(diào)節(jié)閥B、中間最小調(diào)節(jié)閥A、右側(cè)最大調(diào)節(jié)閥C構(gòu)成的某進(jìn)口聯(lián)合進(jìn)汽閥的三維數(shù)值模型,并進(jìn)行不同工況模擬計(jì)算。主要研究閥C和閥B全開(kāi)時(shí),閥內(nèi)流動(dòng)特性、各閥壓損以及閥碟各表面受力隨閥A開(kāi)度增大而變化的情況。研究發(fā)現(xiàn),在小開(kāi)度下,閥A迎風(fēng)側(cè)為貼附閥碟流,并且閥座迎風(fēng)側(cè)存在大旋渦,隨著閥A開(kāi)度的增大整體流場(chǎng)趨于平穩(wěn),迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)流體轉(zhuǎn)變?yōu)閮晒缮淞?閥碟內(nèi)腔中的低速流體區(qū)僅位于閥座喉部及以上區(qū)域,但閥碟內(nèi)腔會(huì)出現(xiàn)小旋渦。隨著閥A開(kāi)度的增大,閥A壓損逐漸較減小,閥B和閥C壓損基本維持不變,主汽閥E和F壓損隨閥A開(kāi)度增大而繼續(xù)增大。閥A閥碟所受縱向力在閥A開(kāi)度小于80%時(shí)隨開(kāi)度增大而減小,在開(kāi)度大于80%時(shí)則相反。閥B閥碟和閥C閥碟所受縱向力基本不隨閥A開(kāi)度的變化而變化。閥A閥碟、閥B閥碟和閥C閥碟的橫向受力隨閥A開(kāi)度的增大而增大。

聯(lián)合進(jìn)汽閥;調(diào)節(jié)閥;數(shù)值模擬;流動(dòng)特性;受力分析

在電廠熱力系統(tǒng)中,汽輪機(jī)聯(lián)合進(jìn)汽閥作為控制汽輪機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵執(zhí)行設(shè)備,其運(yùn)行的安全性和可靠性與電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性密切相關(guān)。汽輪機(jī)聯(lián)合進(jìn)汽閥由主汽閥和調(diào)節(jié)閥兩部分構(gòu)成,鍋爐中產(chǎn)生的主蒸汽依次通過(guò)主汽閥和調(diào)節(jié)閥后才進(jìn)入汽輪機(jī)通流部分做功,因而聯(lián)合進(jìn)汽閥的工作狀況將直接影響汽輪機(jī)工作效率[1]。在經(jīng)濟(jì)性方面,汽輪機(jī)高壓聯(lián)合進(jìn)汽閥的壓力損失每上升2%,高壓缸效率約下降0.28%[2],因此閥內(nèi)流動(dòng)要盡可能減小壓損。在安全性方面,閥運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)閥碟和閥桿振動(dòng)甚至斷裂、閥座松動(dòng)或運(yùn)行部件執(zhí)行遲緩等故障,會(huì)造成汽輪機(jī)失速甚至停機(jī)等后果[3-6]。由于電力生產(chǎn)過(guò)程中聯(lián)合進(jìn)汽閥事故頻發(fā),故其安全可靠運(yùn)行受到廣泛關(guān)注。

對(duì)于聯(lián)合閥而言,在單個(gè)閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉瞬間通過(guò)實(shí)驗(yàn)很難捕捉流場(chǎng)細(xì)節(jié),而計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展使得閥內(nèi)流動(dòng)過(guò)程細(xì)節(jié)再現(xiàn)成為可能[7-8],為研究流體不穩(wěn)定流動(dòng)誘發(fā)閥碟振動(dòng)提供幫助。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者主要對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)分析,得到了較好的閥內(nèi)流場(chǎng)分布,在一定程度上揭示了調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體與閥結(jié)構(gòu)互相作用的關(guān)系。文獻(xiàn)[9]研究了某600 MW汽輪機(jī)高壓聯(lián)合進(jìn)汽閥在一個(gè)調(diào)節(jié)閥全開(kāi)、另一個(gè)調(diào)節(jié)閥不同開(kāi)度下的流動(dòng)損失及若干位置處壁面的靜壓分布情況。文獻(xiàn)[10]在研究主汽閥、調(diào)節(jié)閥全行程蒸汽穩(wěn)定流動(dòng)的流阻特性的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了閥門(mén)快速關(guān)閉時(shí)的非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。文獻(xiàn)[11]在分析閥內(nèi)流動(dòng)的熱力學(xué)過(guò)程后,導(dǎo)出流量系數(shù)、開(kāi)度、壓比以及總壓損失之間的關(guān)系,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。文獻(xiàn)[12]指出因流固耦合作用,閥內(nèi)流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流場(chǎng)參數(shù)變化等都使得自激振動(dòng)的研究變得復(fù)雜,在進(jìn)行數(shù)值模擬的同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以研究流體激振力。大多數(shù)研究主要側(cè)重單個(gè)調(diào)節(jié)閥,但是汽輪機(jī)進(jìn)汽閥中主汽閥和調(diào)節(jié)閥組合形式多樣,目前相對(duì)缺少對(duì)于復(fù)雜汽輪機(jī)聯(lián)合進(jìn)汽閥流場(chǎng)的系統(tǒng)研究。

1 數(shù)值模型建立及模擬有效性驗(yàn)證

圖1為本文研究對(duì)象聯(lián)合進(jìn)汽閥內(nèi)部流道三維幾何模型。該聯(lián)合進(jìn)汽閥由主汽閥E、F和調(diào)節(jié)閥B、A、C構(gòu)成,各閥的相對(duì)位置如圖1所示。3個(gè)調(diào)節(jié)閥的類(lèi)型均為鐘罩型,其流道可以分為4個(gè)部分:閥腔、閥碟內(nèi)腔、閥碟和閥座圍成的環(huán)形通道、閥座擴(kuò)壓段。為了適應(yīng)聯(lián)合進(jìn)汽閥內(nèi)復(fù)雜流道的特點(diǎn),本文將采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分流體域。其中,閥腔和環(huán)形通道部分采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,以適應(yīng)該區(qū)域較為復(fù)雜的幾何形狀,其他區(qū)域采用六面體及楔形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

圖1 聯(lián)合進(jìn)汽閥內(nèi)部流道三維幾何模型

本文針對(duì)聯(lián)合進(jìn)汽閥中主汽閥和3個(gè)調(diào)節(jié)閥全開(kāi)、壓比為0.95的工況,采用不同規(guī)模網(wǎng)格數(shù)劃分模型并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,以入口流量為監(jiān)測(cè)項(xiàng),計(jì)算結(jié)果誤差連續(xù)小于5%時(shí),選取中間規(guī)模的網(wǎng)格數(shù),由表1可知此處為550萬(wàn),這樣既能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性又能保證計(jì)算效率。圖2為聯(lián)合進(jìn)汽閥網(wǎng)格劃分示意圖。

本文主要研究調(diào)節(jié)閥B和C全開(kāi)時(shí),隨著調(diào)節(jié)閥A開(kāi)度的變化,閥內(nèi)流動(dòng)特性、 各閥壓損以及閥碟各表面受力的變化情況。采用理想水蒸氣模型進(jìn)行模擬,即各狀態(tài)參數(shù)要滿足理想狀態(tài)方程,設(shè)置固定比熱容和熱傳導(dǎo)率。其工作條件是:入口和出口分別采用壓力入口邊界條件和壓力出口邊界條件,主汽閥的閥前壓力為8.83 MPa、閥前溫度為535 ℃,調(diào)節(jié)閥的閥后壓力根據(jù)壓比來(lái)確定,其他表面采用絕熱邊界。湍流模型為Realizablek-ε模型,采用SIMPLE算法,計(jì)算中要求各項(xiàng)殘差達(dá)到10-4?，F(xiàn)利用廠家提供的聯(lián)合進(jìn)汽閥中3個(gè)調(diào)節(jié)閥的流量值驗(yàn)證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。圖3為壓比等于0.95時(shí)的聯(lián)合進(jìn)汽閥中調(diào)節(jié)閥流量特性曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn),所有工況下計(jì)算流量和標(biāo)準(zhǔn)流量的相對(duì)誤差均小于4%,因此本文數(shù)值模擬結(jié)果可信。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

圖2 聯(lián)合進(jìn)汽閥網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 聯(lián)合進(jìn)汽閥中調(diào)節(jié)閥流量特性曲線

2 模擬結(jié)果分析

2.1 調(diào)節(jié)閥A開(kāi)啟過(guò)程流場(chǎng)分布及壓損分析

本研究共選取調(diào)節(jié)閥A的5個(gè)不同開(kāi)度工況進(jìn)行研究,分別為20%、40%、60%、80%、100%。此處流場(chǎng)分析只選取有代表性的20%開(kāi)度和100%開(kāi)度的兩個(gè)工況。當(dāng)壓比為0.95、調(diào)節(jié)閥B和C全開(kāi)、閥A在小開(kāi)度20%的工況下,聯(lián)合進(jìn)汽閥內(nèi)的流場(chǎng)見(jiàn)圖4。

(a)三維流線圖

(b)yz截面Ma數(shù)分布圖圖4 閥A開(kāi)度為20%時(shí)聯(lián)合進(jìn)汽閥的流場(chǎng)圖

從圖4a的三維流線圖可以看出,因調(diào)節(jié)閥C流量最大、閥B次之、閥A最小,從主汽閥F來(lái)流全部流入調(diào)節(jié)閥C中,主汽閥E內(nèi)流體大部分流入閥B和閥A,少量流入閥C。因此,規(guī)定閥C的迎風(fēng)側(cè)為靠近主汽閥F側(cè),閥B的迎風(fēng)側(cè)為靠近主汽閥E側(cè),閥A的迎風(fēng)側(cè)為靠近閥B側(cè)。由于閥B和閥C全開(kāi),來(lái)自主汽閥的流體在上述兩閥中形成了相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng),環(huán)形通道中迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的流體在閥座偏向迎風(fēng)側(cè)處撞擊后經(jīng)閥座擴(kuò)壓段高速流出。在閥A中,迎風(fēng)側(cè)流體直接進(jìn)入環(huán)形通道而后貼附閥碟流動(dòng),由于閥碟下端被截?cái)嘣斐闪黧w脫流在閥座迎風(fēng)側(cè)形成了大旋渦,而閥A背風(fēng)側(cè)流體直接貼附閥座流動(dòng),閥A中閥座擴(kuò)壓段被旋渦占據(jù),使得流場(chǎng)很不穩(wěn)定,此外環(huán)形通道中部分加速流體進(jìn)入閥碟內(nèi)腔形成低速高靜壓區(qū)。

從圖4b的中截面Ma數(shù)分布圖可以看出,整個(gè)閥內(nèi)均為亞音速流動(dòng),閥內(nèi)最高M(jìn)a數(shù)為0.488,出現(xiàn)在閥B和閥C的閥座喉部附近。閥A的最高M(jìn)a數(shù)僅有0.1左右,整個(gè)閥A內(nèi)的流速都很低,僅有閥座擴(kuò)壓段中心區(qū)域流速相對(duì)較高。

在壓比為0.95、調(diào)節(jié)閥B和C全開(kāi)、閥A在大開(kāi)度100%的工況下,聯(lián)合進(jìn)汽閥的流場(chǎng)見(jiàn)圖5。從圖5a可以看出,從主汽閥F的來(lái)流大部分流入調(diào)節(jié)閥C中,少部分流入調(diào)節(jié)閥A中。主汽閥E內(nèi)流體大部分流入閥B,少量流入閥A。由于閥B流量小于閥C,流體最先從主汽閥E流入閥A,因而定義靠近閥B側(cè)為閥A迎風(fēng)側(cè),而閥C和閥B迎風(fēng)側(cè)的定義與小開(kāi)度下相同。

與閥A在小開(kāi)度下流場(chǎng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),中間最小調(diào)節(jié)閥A的開(kāi)啟基本不會(huì)對(duì)已開(kāi)啟左側(cè)調(diào)節(jié)閥B和右側(cè)調(diào)節(jié)閥C內(nèi)的流型造成影響,閥B和閥C的流場(chǎng)依舊分布較均勻,環(huán)形通道中流體以射流形式流出,射流撞擊位置在閥座中偏向迎風(fēng)側(cè),這使得內(nèi)部流場(chǎng)發(fā)生根本性改變?？梢钥闯鲩yA在全開(kāi)下,閥A環(huán)形通道中迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)流體轉(zhuǎn)變成兩股射流,在閥座迎風(fēng)側(cè)撞擊后沿著閥座擴(kuò)壓段高速流出,流場(chǎng)分布均勻。閥碟內(nèi)腔中的低速流體區(qū)一直位于閥座喉部及以上區(qū)域,并沒(méi)有延伸到閥座擴(kuò)壓段,這與小開(kāi)度下的流場(chǎng)顯著不同。在閥A的閥碟內(nèi)腔有小旋渦,但其強(qiáng)度遠(yuǎn)小于閥B與閥C的閥碟內(nèi)腔中旋渦。

(a)三維流線圖

(b)yz截面Ma數(shù)分布圖圖5 閥A開(kāi)度為100%時(shí)聯(lián)合進(jìn)汽閥的yz截面流場(chǎng)圖

從圖5b的Ma數(shù)分布圖可以看出,閥內(nèi)最高M(jìn)a數(shù)為0.51,出現(xiàn)在閥A、B、C的閥座喉部附近,且閥A的閥座喉部高速區(qū)大于其他兩個(gè)調(diào)節(jié)閥,閥內(nèi)不存在超音速流動(dòng)。對(duì)比圖4b和圖5b的Ma數(shù)分布圖可以看出,調(diào)節(jié)閥B和C全開(kāi)時(shí),隨著中間最小調(diào)節(jié)閥A的開(kāi)啟,聯(lián)合進(jìn)汽閥內(nèi)最高流速區(qū)由左側(cè)閥B和右側(cè)閥C的閥座喉部附近轉(zhuǎn)向中間最小調(diào)節(jié)閥A的閥座喉部區(qū)。

汽輪機(jī)高壓聯(lián)合進(jìn)汽閥內(nèi)過(guò)大的壓力損失會(huì)引起高壓缸效率的下降,進(jìn)而降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性,本文就單個(gè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟時(shí)各閥的壓力損失展開(kāi)研究。從表2中可以看出,在定壓比為0.95、調(diào)節(jié)閥B和C全開(kāi)的工況下,隨著調(diào)節(jié)閥A開(kāi)度的增大,閥A壓損逐漸減小,由20%開(kāi)度下的壓損占入口總壓的4.642%降到了100%開(kāi)度下的3.070%,而調(diào)節(jié)閥C的壓損占比基本穩(wěn)定在閥C全開(kāi)時(shí)的3%左右,調(diào)節(jié)閥B的壓損占比基本穩(wěn)定在閥B全開(kāi)時(shí)的3.3%左右,隨閥A開(kāi)度的變化很小。

壓損分析結(jié)果與流場(chǎng)變化相對(duì)應(yīng),小開(kāi)度下的流場(chǎng)因閥座迎風(fēng)側(cè)被大旋渦占據(jù)、閥碟內(nèi)腔存在低速高靜壓區(qū),流場(chǎng)極不穩(wěn)定,旋渦使得流動(dòng)發(fā)生較大壓損。大開(kāi)度下迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)流體轉(zhuǎn)變?yōu)閮晒缮淞鞑⒃陂y座靠近迎風(fēng)側(cè)處撞擊,閥座擴(kuò)壓段中的流場(chǎng)也較平穩(wěn)均勻,閥碟內(nèi)腔中的高速低靜壓區(qū),位于閥座喉部及以上區(qū)域,整個(gè)流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定,壓損自然較小開(kāi)度工況下小。兩個(gè)主汽閥F和E的壓損隨調(diào)節(jié)閥A開(kāi)度的增加而增大,且主汽閥F的壓損要大于閥E,但等到當(dāng)閥A全開(kāi)時(shí)主汽閥F的壓損占入口總壓已經(jīng)增大到0.351%左右,主汽閥E的壓損占入口總壓增大到0.321%。

表2 調(diào)節(jié)閥A不同開(kāi)度下各閥壓損的比較

2.2 調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟過(guò)程中閥碟的受力分析

為了詳細(xì)了解閥碟受力狀況,將閥碟與流體相接觸的表面分為閥碟下表面、閥碟型線面、閥碟外表面、閥碟內(nèi)腔表面,各表面所在的具體位置如圖6所示,閥碟所受縱向力平行于閥桿方向,即y軸方向。由于聯(lián)合進(jìn)汽閥結(jié)構(gòu)對(duì)稱,本文研究的閥碟橫向受力為閥碟所受力在垂直于閥桿方向且位于聯(lián)合進(jìn)汽閥中分面的分力,即橫向受力方向?yàn)閦軸方向。圖7中無(wú)論是閥碟各表面所受縱向力還是各調(diào)節(jié)閥所受縱向合力,正值表示受力方向?yàn)閥軸正向,而對(duì)于閥碟各表面所受橫向力以及各調(diào)節(jié)閥所受橫向合力,正值表示受力方向?yàn)閦軸正向。

圖6 閥碟各表面位置示意圖

當(dāng)壓比為0.95、調(diào)節(jié)閥C和B全開(kāi)、調(diào)節(jié)閥A開(kāi)啟時(shí),閥碟表面受力隨調(diào)節(jié)閥A開(kāi)度變化的情況見(jiàn)圖7,閥碟外表面因平行于y軸,故不受縱向力。從圖7a可以看出,閥碟各部分所受縱向力中型線面受力較小,基本不對(duì)縱向合力變化趨勢(shì)產(chǎn)生影響,因而此處重點(diǎn)分析控制閥碟所受縱向合力變化趨勢(shì)的閥碟下表面受力以及內(nèi)腔表面受力。

當(dāng)閥A開(kāi)度在80%以下時(shí),隨著閥開(kāi)度的增大,閥碟下表面以及內(nèi)腔表面所受縱向力逐漸減小。對(duì)比圖4b和圖5b可以看出,開(kāi)度增大,環(huán)形通道節(jié)流作用逐漸減弱,閥碟下表面的高壓流動(dòng)分離區(qū)逐漸減弱,更多的流體貼附閥座直接流向閥座出口,進(jìn)而導(dǎo)致閥碟下表面流速增加,靜壓減小,因而下表面所受縱向力減小,而且閥碟內(nèi)腔流體流速也逐漸增大,導(dǎo)致靜壓減小,內(nèi)腔表面所受縱向力減小。但是,隨著開(kāi)度增大到一定程度,環(huán)形通道流出流體流線發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變,由貼附閥座流轉(zhuǎn)變?yōu)榱藘晒缮淞?射流在閥座中撞擊,射流強(qiáng)度大,導(dǎo)致閥碟下表面受力又有小幅度增加。從圖7c可知,閥C閥碟和閥B閥碟所受縱向力隨著閥A開(kāi)度的增大只出現(xiàn)小幅度波動(dòng)。這是因?yàn)殚yA的開(kāi)啟對(duì)閥B和閥C內(nèi)的流型沒(méi)有造成大的影響,因而其縱向力基本不受閥A開(kāi)度影響。閥A閥碟表面積最小,所受縱向力也是3個(gè)閥中最小的。

(a)閥A閥碟各表面所受縱向力

(b)閥A閥碟各表面所受橫向力

(c)閥A、B、C的閥碟表面所受縱向力

(d)閥A、B、C的閥碟表面所受橫向力圖7 各閥碟表面受力情況分析

由前述分析可知,定義靠近閥B側(cè)為調(diào)節(jié)閥A的迎風(fēng)側(cè)。從圖5可知,由于閥A環(huán)形通道背風(fēng)側(cè)流體經(jīng)過(guò)了閥腔擴(kuò)容增壓,迎風(fēng)側(cè)流體靜壓低于背風(fēng)側(cè),因而閥A閥碟所受橫向力指向迎風(fēng)側(cè),即z軸正向。在閥碟4個(gè)表面中,唯有下表面的橫向受力方向?yàn)閦軸負(fù)方向。由圖6所示下表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知,左半邊橫向合力指向z軸正向,右半邊橫向合力指向z軸負(fù)向,又背風(fēng)側(cè)流體因擴(kuò)容增加效應(yīng)成為低速高靜壓流體,右半邊橫向受力大于左側(cè),因而下表面所受橫向力指向z軸負(fù)向。如圖7b所示,閥A閥碟所受橫向合力隨開(kāi)度增大而增大,這是因?yàn)殚yA環(huán)形通道流量隨著閥A開(kāi)度增大而增大,導(dǎo)致環(huán)形通道內(nèi)迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)靜壓差增大。在所有閥碟表面中,內(nèi)腔表面橫向受力最大,基本控制整個(gè)閥碟橫向受力的變化趨勢(shì)。從圖7d可知,閥C閥碟橫向受力隨著閥A開(kāi)度的增大而增大。從圖4和圖5中三維流線圖可知,這是因?yàn)殡S著閥A開(kāi)度的增大,在閥C腔背風(fēng)側(cè)中來(lái)自主汽閥E方向的低壓高速流體逐漸減小,取而代之是主汽閥F方向繞閥腔增壓后的低速高壓流體,導(dǎo)致閥C迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓差增大,即橫向力增大。當(dāng)閥A開(kāi)度超過(guò)40%左右時(shí),閥C中不存在來(lái)自主汽閥E方向的流體,因而此后即便閥A開(kāi)度增加,閥C橫向力基本維持在300 N不變。對(duì)于閥B而言,隨著閥A開(kāi)度增大,主汽閥E方向通過(guò)閥B腔的流量逐漸增大,迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓差增大,閥B閥碟受橫向力也增大,但開(kāi)度增大到一定程度時(shí),閥B閥碟橫向力基本維持不變。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文就聯(lián)合進(jìn)汽閥中右側(cè)最大調(diào)節(jié)閥C和左側(cè)次大調(diào)節(jié)閥B全開(kāi)工況下,隨著中間最小調(diào)節(jié)閥A開(kāi)度增加流場(chǎng)特性及閥碟受力變化的情況展開(kāi)研究。

在小開(kāi)度下,調(diào)節(jié)閥A中迎風(fēng)側(cè)為貼附閥碟流,且因閥碟下端被截?cái)嘣斐闪黧w脫流在閥座迎風(fēng)側(cè)形成了大旋渦,調(diào)節(jié)閥閥座流場(chǎng)極不均勻,回流現(xiàn)象嚴(yán)重,此外來(lái)自于環(huán)形通道的高速流體在閥碟內(nèi)腔形成低速高靜壓區(qū)。隨著調(diào)節(jié)閥A開(kāi)度增大,閥座與閥碟構(gòu)成環(huán)形通道中流型由貼附閥座流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮晒筛咚偕淞?且閥碟內(nèi)腔低速流體區(qū)一直位于閥座喉部及以上區(qū)域,整體流場(chǎng)趨于穩(wěn)定。中間最小調(diào)節(jié)閥A的開(kāi)啟基本不會(huì)對(duì)已開(kāi)啟的閥B和閥C內(nèi)流型造成影響。

針對(duì)于聯(lián)合進(jìn)汽閥中調(diào)節(jié)閥碟的受力情況,閥碟下表面以及內(nèi)腔表面縱向受力相比于其他兩個(gè)表面較大,基本控制縱向合力的變化趨勢(shì),閥碟所受縱向合力在開(kāi)度小于80%時(shí)隨著調(diào)節(jié)閥A開(kāi)度增大而減小,隨著開(kāi)度繼續(xù)增大,縱向力又出現(xiàn)小幅上升。閥A型線面相比其他表面橫向受力較大,閥碟所受橫向合力指向左側(cè)調(diào)節(jié)閥B,該值隨著調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大而增大。聯(lián)合進(jìn)汽閥中調(diào)節(jié)閥A開(kāi)度增大會(huì)使得已全開(kāi)的調(diào)節(jié)閥閥碟所受橫向力增大,而縱向力基本不變。

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(編輯 杜秀杰)

Numerical Simulation of Flow Characteristics and Forces on Valve Disc for a Combined Inlet Valve

WANG Hongjuan,TU Shan,DU Yang,LU Jingni

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The turbulence and vortex inside combined inlet valve flow passage may easily induce pressure loss, and then lead to adverse effects on the efficiency of steam turbine units. To study the above mentioned problems, a three-dimensional numerical model of an combined inlet valve is constructed. The combined inlet valve system consists of two main steam valves, the largest valve C on the right, the second size valve B on the left and the minimum valve A in the middle. The variations of the flow characteristics inside the valves, the pressure loss of the valves and the force distribution on the valve disc surfaces with the increase of valve A opening are investigated when valve B and valve C are fully opened. It is found that fluid attaches to valve disc at the windward side of annular channel, and there exists maelstrom at seat windward side when valve A is slightly opened. The whole flow field tends to be steadier with the increase in opening of valve A. Two jet flows appear at the windward side and leeward side, and the low-speed fluid in the valve disc lumen area locates in or above the valve seat throat with small vortex inside the valve disc lumen. With the increase in opening of valve A, pressure loss of valve A decreases gradually, pressure losses of valve B and valve C are nearly unchanged, and pressure losses of the main steam valve E and F continue to increase. The longitudinal force imposed on disc of valve A decreases with its opening when the opening is less than 80%, and it is opposite when the opening is greater than 80%. The increase in opening of valve A has no effect on longitudinal forces imposed on discs of valve B and valve C. The lateral force on disc of valve A increases with the increase in opening of valve A, while the lateral forces on discs of valve B has no and valve C continue to increase with the increase in opening of valve A.

combined inlet valve; control valve; numerical simulation; flow characteristic; force analysis

2016-07-18。 作者簡(jiǎn)介:王紅娟(1990—),女,碩士生;屠珊(通信作者),女,副教授。

時(shí)間:2016-09-23

10.7652/xjtuxb201612023

TK26

A

0253-987X(2016)12-0148-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http: ∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160923.1656.012.html