龔慶慶

[摘要]船用汽輪機功率調(diào)節(jié)主要是依靠調(diào)節(jié)進入汽輪機進口噴嘴的蒸氣流量來實現(xiàn)的，而汽輪機進口噴嘴的流量又取決于安裝在汽輪機進口處的調(diào)節(jié)閥箱?？梢哉f，調(diào)節(jié)閥箱是船用汽輪機功率調(diào)節(jié)不可或缺的重要組成部分。本文主要針對某一船用汽輪機調(diào)節(jié)閣箱，采用ANSYS商業(yè)軟件包中的ICEM網(wǎng)格生成器生成非結構化計算網(wǎng)格，并利用ANSYS商業(yè)軟件包中的CF～求解器進行求解計算。通過數(shù)值計算得到了某船用調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部的三維流場。在此基礎上對調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部損失機理進行了詳細分析并提出了改進建議。

[關鍵詞]船用汽輪機；調(diào)節(jié)閥箱；數(shù)值模擬

船用汽輪機調(diào)節(jié)閥是船用汽輪機的重要組成部分，其內(nèi)部流動比較復雜，損失也比較大，近年來也受到了各界學者的關注。德國SiemensKWU公司對汽輪機調(diào)節(jié)閥進行了大量研究，在汽輪機調(diào)節(jié)閥氣動性能優(yōu)化改進方面積累了非常有益的經(jīng)驗。美國GE公司也對汽輪機調(diào)節(jié)閥進行了應用研究，并自主開發(fā)了調(diào)節(jié)閥專用計算軟件NOVAK3D。在此基礎上，對進汽調(diào)節(jié)閥采用相應的改進方案使得調(diào)節(jié)閥總壓損失降低30%，取得了良好效果。國內(nèi)上海交通大學黃慶華對某電站汽輪機的主蒸氣調(diào)節(jié)閥門進行了數(shù)值模擬研究，選取了主蒸氣閥門幾個關鍵的幾何結構參數(shù)來考察閥門氣動性能影響的音速，并據(jù)此對閥門通流結構進行了優(yōu)化設計，取得了一定成效。西安交通大學李思琦對艦用汽輪機的進汽調(diào)節(jié)閥箱進行了大量研究。在整個研究過程中，采用“空度”的概念來處理調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部的閥碟和閥桿等固體區(qū)域，計算采用PHOENICS流體計算軟件，得到了調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部流場詳細情況。將數(shù)值結果與試驗結果進行對比之后發(fā)現(xiàn)，兩者吻合較好。中國科學院工程熱物理研究所徐克鵬等人對某電站汽輪機的主蒸氣調(diào)節(jié)閥進行了數(shù)值模擬和相應的試驗研究，詳細地分析了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流場結構和流動損失機理。大連理工大學周子筠采用商業(yè)軟件STAR-CD對某電站輔助汽輪機頭部（包含主蒸氣閥、蒸氣調(diào)節(jié)閥和進口調(diào)節(jié)級在內(nèi)等結構1進行了數(shù)值研究，詳細分析了汽輪機頭部的內(nèi)部流場及損失情況，并在此基礎上提出了汽輪機頭部優(yōu)化改進的方法和建議。由于船用汽輪機調(diào)節(jié)閥箱結構復雜，國外對船用調(diào)節(jié)閥的研究工作到目前為止主要是由各汽輪機生產(chǎn)廠獨立進行，國內(nèi)的研究則主要集中在電站汽輪機，在船用汽輪機調(diào)節(jié)閥方面的研究相對較少。

1計算模型

1.1幾何模型

船用調(diào)節(jié)閥箱往往由若干個調(diào)節(jié)閥組成，反過來這些調(diào)節(jié)閥通過螺栓連接并固定安裝在調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)。艦船汽輪機調(diào)節(jié)閥箱通常安裝在高壓缸高壓汽輪機第一級前和低壓缸倒車汽輪機級第一級前。

圖1為某船用汽輪機調(diào)節(jié)閥箱幾何結構示意圖。從圖中可以看到，某船用調(diào)節(jié)閥箱具有+調(diào)節(jié)閥，分別對應三個調(diào)節(jié)閥出口，分別為Ⅰ號調(diào)節(jié)閥出口、Ⅱ號調(diào)節(jié)閥出口和Ⅲ號調(diào)節(jié)閥出口。

這三個調(diào)節(jié)閥分別控制不同的汽輪機進口噴嘴弧段。艦船汽輪機就是通過這三個調(diào)節(jié)閥來控制流入汽輪機的流量，從而實現(xiàn)噴嘴調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)閥箱兩側(cè)為蒸氣入口，中間三個孔為三個調(diào)節(jié)閥閥芯安裝孔位。在調(diào)節(jié)閥箱兩側(cè)還有連個對稱的調(diào)節(jié)閥進口，分別為1號進口和2號進口。

由于船用汽輪機工作工況的不同，對應調(diào)節(jié)閥箱各個閥門開度也是不同的。本文主要選擇船用汽輪機額定工況即閥箱調(diào)節(jié)閥全開狀態(tài)來進行分析和計算。

1.2網(wǎng)格模型

圖2為某船用調(diào)節(jié)閥箱計算模型。為了能讓湍流充分發(fā)展以及使調(diào)節(jié)閥出口氣流達到穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥箱三個出口段截取長度相對較長。同時在三個調(diào)節(jié)閥閥芯位置有三個孔，這是閥芯的固體區(qū)域，在數(shù)值計算時是沒有流體通過的。

圖4為調(diào)節(jié)閥箱網(wǎng)格模型。網(wǎng)格生成采用ANSYS/ICEM商業(yè)軟件，最終生成的網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為170萬左右，網(wǎng)格單元總數(shù)為644萬左右。由于船用調(diào)節(jié)閥箱幾何結構比較復雜，為了能使網(wǎng)格快速生成，主流區(qū)域采用了四面體非結構化網(wǎng)格。圖5和圖6為固體壁面附近網(wǎng)格，固體壁面附近網(wǎng)格采用棱柱體化網(wǎng)格，近壁面網(wǎng)格層數(shù)為6層。

2數(shù)值方法

2.1控制方程

計算采用ANSYS/CFX商用軟件。ANSYS/CFX是基于有限體積法采用全隱式網(wǎng)格耦合求解技術，具有較好的穩(wěn)定性。

在ANSYS商業(yè)軟件CFX求解器中，在絕對坐標系下，微分形式的連續(xù)、動量和能量方程分別為：

式中：T₀=273.15K；μ₀為1個標準大氣壓下0℃時氣體的動力粘性系數(shù)；T_s為薩瑟蘭常數(shù)，與氣體性質(zhì)有關。

考慮微分形式的連續(xù)、動量和能量方程，對一個明確的控制體進行積分，便可得到積分形式的連續(xù)、動量和能量方程：

式中：V表示控制體的體積；S表示控制體的表面積；dn_j表示垂直控制體表面并指向外側(cè)的法向量。

2.2湍流模型

CFX求解器提供的渦粘湍流模型有：k-ε、RNGk-ε、k-ω、BSL k-ω和SSTk-ω等湍流模型。本文采用的湍流模型為RNGk-ε湍流模型。

RNGk-ε湍流模型與標準k-ε湍流模型相似。在RNG k-ε湍流模型中，主要是通過在大尺度運動和修正后的粘性項中來反應小尺度的影響，這可以系統(tǒng)地從控制方程中去掉小尺度運動。所得到的RNGk-ε湍流模型的k方程和ε方程如下：

其中，16

當Reynolds數(shù)Re_y≥2000時，采用上述RNG k-ε湍流模型中的k和ε方程來求解：當Reynolds數(shù)Re_y<2000時，則使用Woffshtein一方程模型來近似求解近壁區(qū)的湍流流動，其中動量方程和湍動能k方程仍使用上述RNGk-ε湍流模型中計算式，但是湍流動力粘性系數(shù)和湍流的耗散率需使用如下公式計算：

反映壁面對湍流的影響的長度尺度參數(shù)l_μ、l_e可使用如下計算公式：

2.3邊界條件

本文計算主要采用的邊界條件如下：

人口邊界：進口給定來自鍋爐的新鮮蒸氣的總溫總壓，氣流速度方向垂直于進口平面。

出口邊界：給定各個閥門出口的質(zhì)量流量；

固體壁面：網(wǎng)格無滑移，絕熱壁面。

計算工質(zhì)：采用理想蒸氣。

各個調(diào)節(jié)閥開度是固定的，并且是全開狀態(tài)。

3數(shù)值分析

3.1流動分析

計算得到的某船用汽輪機調(diào)節(jié)閥內(nèi)的三維流線圖如圖7所示。從圖中可以看到，Ⅲ號調(diào)節(jié)閥較大，通過的流體較多，其它兩個調(diào)節(jié)閥較小，流過的流體較少，并目氣流在通過各個調(diào)節(jié)閥時產(chǎn)生了旋流。從流動速度上看，主要流動區(qū)域的蒸氣氣流動速度并不是很大，大約在100m/s左右。氣流速度較大的區(qū)域主要集中在調(diào)節(jié)閥閥碟位置處，最大速度達到了750m/s，并沒有形成激波或達到臨界。這是因為閥碟在此處位置閥門開度較小，形成了節(jié)流作用，使得氣流通過的截面積下降，從而導致氣流內(nèi)能（氣流為從鍋爐出來的新鮮蒸氣，具有較高的壓力和溫度）轉(zhuǎn)化為動能，速度急劇上升，結果是流體沿著閥碟下部通道噴射而出。這就使得流場分布十分不均勻，使得調(diào)節(jié)閥箱產(chǎn)生了較大的節(jié)流損失。從圖中流線的分布可以看到，主要損失有三部分：一是。氣流通過各個閥門的節(jié)流損失；二是。氣流繞過Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥閥芯的阻力損失；三是，從兩人口進來的氣流在Ⅲ號調(diào)節(jié)閥閥芯位置產(chǎn)生的氣流摻混損失。總的來說，這三部分損失大小可以估計為：節(jié)流損失>摻混損失>繞流損失。

圖8為Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流線局部放大圖。從圖中可以看到，Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥流動主要是繞流，氣流繞過Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥進入到Ⅲ號調(diào)節(jié)閥，而直接通過Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥進入到汽輪機的流體較少，其主要原因也是Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥閥體直徑小，節(jié)流作用大。圖9為Ⅲ號調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流線局部放大圖。從圖中可以看到，來自兩側(cè)Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥的繞流，在Ⅲ號調(diào)節(jié)閥位置匯合并摻混，最后一并進入到Ⅲ號調(diào)節(jié)閥。從圖中可以看到，來自I號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥的繞流，在Ⅲ號調(diào)節(jié)閥位置處有分界但不明顯，流線又比較雜亂，由此不難推斷此處有較大的摻混損失。

從整體上看，很明顯Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用要大于Ⅲ號調(diào)節(jié)閥，同時還可以看到，氣流在流經(jīng)Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥時有明顯的偏轉(zhuǎn)作用。氣流速度最大的位置主要在閥座位置處，原因是閥座是整個調(diào)節(jié)閥喉道面積最小的區(qū)域。

圖10為Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥水平中分面流線圖。從圖中可以明顯看-到氣流繞過Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥閥芯，當氣流達到閥芯兩側(cè)頂點（+90°）附近就離開了壁面，并且分離后的流體在閥芯下游形成了近似對稱的固定不動的漩渦（又稱附著渦）。圖11為Ⅲ號調(diào)節(jié)閥水平中分面流線圖。來自Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥的繞流在Ⅲ號調(diào)節(jié)閥位置發(fā)生碰撞，形成了明顯的交界面。碰撞后的氣流也沒有立即摻混，而是折返形成了兩對互不交融的漩渦，經(jīng)過旋流最后才摻混到一起進入Ⅲ號調(diào)節(jié)閥。

3，2壓力損失

調(diào)節(jié)閥箱垂直中分面總壓分布云圖如圖12所示。從圖中可以看到，三個調(diào)節(jié)閥經(jīng)過強烈的節(jié)流之后，閥門出口前后產(chǎn)生了較大的壓差。其中Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失較大，Ⅲ號調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失相對小一些，這和前面的分析是一致的。根據(jù)計算，Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號調(diào)節(jié)閥的進、出口的壓差分別為1.94MPa、2.02MPa、1.18MPa。

調(diào)節(jié)閥總壓損失系數(shù)的定義公式為：

式中：p_tol，in表示調(diào)節(jié)閥箱進口處的總壓，單位為Pa；p_tol表示調(diào)節(jié)閥箱某測點處的總壓，單位為Pa；ρ_in表示調(diào)節(jié)閥箱進口處的氣流密度，單位為kg/m³；V表示調(diào)節(jié)閥箱進口處的氣流速度，單位為m/s。

圖13為調(diào)節(jié)閥箱總壓損失系數(shù)分布圖。圖14為Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥總壓損失系數(shù)分布局部放大圖。圖15為Ⅲ號調(diào)節(jié)閥總壓損失系數(shù)分布局部放大圖。從圖中可以清晰地看到，調(diào)節(jié)閥最大總壓損失發(fā)生的地方在I號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥閥碟下方，總壓損失系數(shù)達0.84，主要為節(jié)流損失。而閥箱的沿程阻力損失僅1.5×10^-4。氣流通過閥座喉部進入出口段，在很長一段距離內(nèi)還發(fā)生了明顯的摻混，有很長的“彗尾”，表現(xiàn)為總壓損失系數(shù)由不均勻逐漸變?yōu)榫鶆颍@和圖7閥箱內(nèi)流線圖所觀察到的結果是一致的。

調(diào)節(jié)閥箱垂直中分面總溫分布云圖如圖16所示。從圖中可以看到，盡管高溫高壓蒸氣經(jīng)過各個調(diào)節(jié)閥節(jié)流后，總溫并沒有下降。這表明蒸氣的內(nèi)能和比焓并沒有因為各調(diào)節(jié)閥的節(jié)流而改變。各調(diào)節(jié)閥節(jié)流對蒸氣影響最大的是壓力。

3.3速度損失

圖17為Ⅰ號和Ⅱ號調(diào)節(jié)閥喉部位置馬赫數(shù)分布云圖。從圖中可以看到，氣流在經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的節(jié)流后，馬赫數(shù)由0.1變化到1.043，但很快又降到亞音速以下，并回落至0.1左右。在較短的流程內(nèi)流動速度變化比較劇烈。盡管氣流在閥座喉部附件發(fā)生了局部超音速，但通道內(nèi)沒有發(fā)生激波。從速度云圖上可以看到，從喉部出來的蒸氣流體主要匯聚于閥碟下部區(qū)域，并沒有立即充滿整個流道，而是產(chǎn)生了回流區(qū)，形成了“空穴”流動。

圖18為Ⅲ號調(diào)節(jié)閥喉部位置馬赫數(shù)分布云圖。從圖中可以看到，氣流在經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的節(jié)流后，氣流馬赫數(shù)由0.1上升到1.173左右。和I號、Ⅱ號調(diào)節(jié)閥—樣，速度很陜又回落到0.1馬赫數(shù)左右。在喉部位置區(qū)域，存在局部超音速流動，但沒有出現(xiàn)激波。和Ⅰ號、Ⅱ號調(diào)節(jié)閥相反，從Ⅲ號調(diào)節(jié)閥喉部出來的流體并沒有匯聚于閥碟下部區(qū)域，而是緊貼出口段壁面。在閥碟下部中間區(qū)域，可以明顯看到被低速流體占據(jù)，并且在較大范圍內(nèi)存在回流，形成很大的“空穴”。

4結論

1）船用汽輪機調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)的損失主要包括局部阻力損失、沿程損失、摻混損失以及調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失。其中沿程損失較小，可以忽略不計。由于閥芯較小，局部阻力損失也不大。在閥芯與閥座共同決定的喉部區(qū)域，調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失較大。由于調(diào)節(jié)閥箱設置了兩個人口，在蒸氣流人Ⅲ號調(diào)節(jié)閥時，還產(chǎn)生了摻混損失。

2）閥碟和閥座形成的喉部區(qū)域是船用汽輪機調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部總壓損失主要發(fā)生位置，此處各調(diào)節(jié)閥處于強烈的節(jié)流狀態(tài)。蒸氣通過調(diào)節(jié)閥后，由于受到節(jié)流作用，總壓出現(xiàn)了明顯的下降，但由于節(jié)流前后內(nèi)能不變，總溫和比焓保持不變。

3）蒸氣快速流過調(diào)節(jié)閥喉部后，匯集在靠近閥座壁面的區(qū)域或出口段壁面處，這樣就在出口段形成了較大的回流區(qū)，產(chǎn)生了氣流“空穴”。對于這樣的問題，可以考慮采用實體部分來填充空“穴區(qū)”區(qū)域的辦法來消除“空穴”區(qū)對閥門激振等不利影響。

[責任編輯：楊玉潔]