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）

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調(diào)節(jié)閥開度的變化，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，無論是從經(jīng)濟(jì)性還是安全性來考慮，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

本文專門針對(duì)有、無擴(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為流過閥的流量。

當(dāng)閥門全開時(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。在高的臨界馬赫數(shù)范圍內(nèi)可見ζ′的曲線上升。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。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，且沒有很大的誤差。最有利的擴(kuò)壓角是2θ=8°，對(duì)于全開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）

2.2 力的研究、流量特性曲線

圖3 沒有卸載擴(kuò)壓閥的力系數(shù)ξ變化過程（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給出了沒有卸載擴(kuò)壓閥的ξ變化過程，該曲線是在壓比P1/PG=10～3和最窄直徑P1/PG=10～3和D0=30～60 mm的多次測(cè)量中得來的。對(duì)于大的mD比值曲線在圖示的曲線之上；對(duì)于小的mD比值曲線在圖示的曲線之下；對(duì)于mD=0的，ξ變化過程與坐標(biāo)軸重合。

圖4給出的是具有卸載擴(kuò)壓閥的ξ變化過程曲線。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。

2）最有利的沒有卸載擴(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)速汽門閥桿斷裂原因及結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.中國電力，1996，29（10）：63-65.

［2］李祥苓，林西奎，寒奎政，等.國產(chǎn)300MW機(jī)組高調(diào)節(jié)汽門閥桿斷裂事故分析［J］.中國電力，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

B

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