試論汽輪機調(diào)節(jié)閥的汽流激振分析與解決方法

周晶水

國電江西豐城發(fā)電有限公司檢修部，江西 宜春 331100

工業(yè)汽輪機作為驅(qū)動鼓風機、壓縮機、發(fā)電機及給水泵的原動機，在冶金、石化和發(fā)電領域得到了廣泛使用。杭州汽輪機股份有限公司引進德國西門子公司的三系列工業(yè)汽輪機的設計、制造技術，已經(jīng)生產(chǎn)千余臺不同型號的汽輪機，滿足用戶的使用要求。隨著我國工業(yè)的長足發(fā)展，近年來對大功率、高參數(shù)汽輪機的需求不斷增加。大功率、高參數(shù)汽輪機除對調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性有很高要求外，對調(diào)速系統(tǒng)的每個調(diào)速執(zhí)行部件也有嚴格設計要求。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，直接影響汽輪機組運行穩(wěn)定。近年來，個別汽輪機在運行的過程中出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥振動嚴重的現(xiàn)象，危及機組的安全運行，也影響了工藝流程的正常進行[1，2]。研究表明，調(diào)節(jié)閥的振動主要是由于汽流的不穩(wěn)定而誘發(fā)的。而汽流的不穩(wěn)定又與流動工況和調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結構有密切關系。本文提出了鐘罩閥的閥碟類似一個鐘罩扣在閥座上，閥座生出三根筋板支撐上部的導流錐，通過閥碟的上下移動改變開度實現(xiàn)對流量的控制，從而解決了汽輪機調(diào)節(jié)閥的汽流激振問題。

1 調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場分析

調(diào)節(jié)閥在高溫高壓的蒸汽條件下工作，其流動為三維、可壓縮、粘性湍流流動?？刂品匠滩捎肗avier-Stokes方程，湍流模型選用標準k-ε模型，工作介質(zhì)為水蒸汽，熱力性質(zhì)參數(shù)的計算基于IAPWS—IF97。調(diào)閥升程按實際運行情況選取，相對升程8.3%。邊界條件按實際運行數(shù)據(jù)給定。進口條件為，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。

對建立的調(diào)節(jié)闊模型進行計算。得出了汽流在閥內(nèi)的流動情況。對采用改進的鐘罩閥和原溢流閥所得出的結果進行比較；并在鐘罩閥的基礎上，通過改變閥座的裝配角度，得出不同的結果進行比較。

2 改進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)流場的變化主要體現(xiàn)在閥碟下端部與閥座上端部構成的漸縮通道和閥座通道固定的噴管喉部兩個位置。當蒸汽流入這部分時，隨著流通面積的減少，靜壓迅速降低，壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能，速度增加。在流入閥座的擴壓段后，靜壓又會逐漸地增加至閥門出口，這種流動情境況在本次研究的兩種閥內(nèi)的流場數(shù)值模擬結果相吻合。

對原溢流閥進行模擬，由于調(diào)閥升程較小，調(diào)閥內(nèi)的流動呈現(xiàn)高速的自由射流。汽流在閥碟端部出現(xiàn)分離，有一部分汽流上揚流向閥碟的內(nèi)部空腔。并且在離進氣側的遠端尤為明顯。調(diào)節(jié)閥運行過程中，這部分非對稱的汽流渦動不斷沖刷閥碟內(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。汽流的對撞、滯止造成壓力的波動是誘發(fā)閥碟振動的主要原因。此外，在汽流渦團切向力及附面層流體粘性的作用下，非穩(wěn)定汽流渦團還有可能帶動閥碟一齊周向轉(zhuǎn)動。在現(xiàn)場拆卸下來的閥座也發(fā)現(xiàn)有明顯的轉(zhuǎn)動磨損，與模擬結果分析結論吻合。

從鐘罩閥內(nèi)部流場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的情況；其下部設計有尾錐，補充了常規(guī)調(diào)節(jié)閥閥碟下面的“空穴區(qū)”。閥座上的導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，不會在周向和軸向產(chǎn)生振動。

另外，從兩種閥縱剖面Ma數(shù)的分布來看，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，流動損失更太。從整個流場Ma數(shù)的分布來看，溢流閥也都大于鐘罩閥?？梢婄娬珠y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，減小氣流激振，使機組安全運行更有保證，是主要解決的問題。

鐘罩閥的改進主要體現(xiàn)在閩座結構的改變。鐘罩閥的閥座上有三根筋板，是均布在圓周上的。設計中要求裝配時其中一根筋板正對進氣口。本文將閥座在設計的基礎上周向偏轉(zhuǎn)600進行模擬計算，與原設計方案進行比較。改變后的鐘罩閥流堆為42.4kg/s，與原設計方案相差不大。經(jīng)過比較，在閥座偏轉(zhuǎn)后，正對進氣側的流通部分存在兩個明顯的渦流，構成了不穩(wěn)定的因素。改變后的鐘罩閥內(nèi)，Ma數(shù)最大值為0.925，整個流場Ma數(shù)的分布均大于原設計方案。與原溢流閥相近?？梢婇y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 結論

鐘罩閥是針對原溢流閥在現(xiàn)場運行時出現(xiàn)的問題，進行具有針對性的結構改造后的產(chǎn)品。通過對其和原溢流閥以及改變閥座裝配位置3種流動模擬計算的結果比較，得出以下結論：

1）原溢流閥閥碟內(nèi)部有空腔。閥碟端部汽流會流入空腔，對閥碟造成沖擊。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的重要原因；

2）鐘罩閥的運行穩(wěn)定性比原溢流閥有了顯著的提高。閥座的結構改造，減少了誘發(fā)閥體振動的影響因素。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，由于有效面積較小，因此流量較?。?/p>

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

[1]相曉偉，毛靖儒，孫弼.汽輪機調(diào)節(jié)閥通流及損失特性研究[J].西安交通大學學報，2006，40(7).

[2]毛靖儒，屠珊，劉全恩，等.汽輪機調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動特性的試驗研究[J].工程熱物理學報，2002，23(6).