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zhaiyao:zaifenxilexianyouqilunjidiaojiefashejifangfadejichushangzhichuqibuzu,bingtichulefamenshejidexinsilu。zaixinsiluzhongyinrushuzhijisuandebuzou,tongguoduidiaojiefaliuchangdeshuzhimoni,zhangwofamenneibudexijieliudongxinxi。zaicijichushangzhaochuliuchangbuhelidewentisuozai,bingtongguoshidangcuoshigaishanheyouhuaneibuliuchangjiegou,yidadaotigaofamenqidongxingnengdemude。ranhouduiyouhuahoudefamenjinxingmoxingshiyan,zuizhongwanchengfamensheji。ciwaihuanyanjiulediaojiefasanweiliuchangdejisuanfangfa,binggenjuxindefamenshejisiluzhongsuotichudeyishuzhijisuanweiyijulaiyouhualiuchangdesixiang,duiyijutisuanlijinxingleshuzhijisuan,zhenduiliuchangzhongsuocunzaidewenti,duifamenxingxianjinxingshidangdediaozheng,congergaishanleqidongxingneng。

關鍵詞:汽輪機調節閥;設計方法;調節閥三維流場;

1 前言

汽輪機的啟停和功率的變化是通過調節閥開度的變化,從而改變進入汽輪機的蒸汽流量或蒸汽參數來實現的。作為汽輪機進汽機構的重要組成部分,調節閥氣動性能的好壞會對整個汽輪機機組的經濟性產生直接的影響。另外,調節閥中閥體的振動現象也存在于實際的運行中,類似閥桿振動、閥桿斷裂、閥座拔起等事故曾經發生1~2,直接影響了機組的安全工作。造成閥體振動的主要原因是調節閥內汽流流動的不穩定,而汽流流動的不穩定又與流動的邊界有密切的關系。不合理的流動邊界使流體的流動無法控制,流動中產生的擾動向外擴散和不斷增長,從而造成了汽流流動的不穩定。因此,無論是從經濟性的角度還是安全性的角度來考慮,研究和分析汽輪機調節閥的內部流場,優化其氣動性能,減小流動損失和穩定汽流,提高調節閥的流動效率和安全性,最終設計出汽動性能良好的調節閥無疑有重要的工程實際意義。

2 汽輪機調節閥設計的現狀

muqiandiaojiefajiegouyouhuazhuyaojiyulengtaidanfatiduibishiyan,huodeliuliangtexing、xiezaishitexing、tishenglihexiangduiwendingxingjibentexing,congzhongtiaoxuanchujiaoyoudexingxianzuhefangan,tigongdingchangtiaojianxiadeshejiyiju。shijidiaojiefashejijisuanzhuyaoyijuliudongxiangsililun、liutilixuedexiangguanyuanlihelengtaishiyanshujulaiquedingshejigongkuangtiaojianxiajigeguanjianbuweichicun,birudiaojiefapeihezhijing、fazuohoubuhechukouzhijing。chuantongshejifangfabijiaojiandan,duidabufendingchangliutaideyunxingfuherengshikekaode。

liudongxiangsililunzhichu:donglixiangsixuyaomoxingheshiwuliangzhongliudongzaishikongxiangsitiaojianxiagexiangsizhunzeshudouxiangdeng。yuchangguiliutijixiebutong,qilunjidiaojiefaneichanshengfeidingchangliudongxianxiangbujinsuijixingqiang,erqiejiqiweimiaohemingan。yunxingxianchanghennanzhunquebuhuofashengliuguouhexianxiangdegenyuansuozai,mohuashiyanyounanyuzhenshizhongxianbuwendingxianxiang。zhengshizhexieyuanyin,diaojiefamohuashejiqianqueshiceheshiyanshuju,gengtanbushangzhangwoqineibuliudongguilv,xianzhilexiangsililundeyingyong,liru strouhal shijianxiangsizhunshuzhongcanshudequedingzhijinquefayanjiu。yejiushishuodiaojiefafashengliuguouhexianxiangsuoshejidefeidingchangliudongquefamohuashejifangfa。xianran,congmoxingsheji、jiagong、shiyandaoshujuzhuanhuandaozhenshidiaojiefagongzuozhuangtaideshiwushejiwancheng,zhenggeguochengbujinzhouqichanghuafeida,erqiecunzaibushaodebuquedingxing,gaijindiaojiefashejifangfashishifenbiyaode。

3 調節閥設計的新思路

近年來,隨著計算流體力學和計算機技術的飛速發展,采用數值模擬手段對復雜流動問題進行研究成為可能。數值模擬手段不僅可以節約大量的人力和資金,最重要的特點是可以模擬和展現調節閥真實工作在高溫高壓狀態下時其內部流動參數的變化和分布規律,尤其對全負荷變化范圍都可以進行細節信息的獲取。盡管調節閥內的非定常流動數值模擬研究還達不到實際要求,但在設計前首先進行調節閥全工況范圍的三維真實工作參數和介質的數值模擬研究不僅彌補了試驗研究的短缺,更重要的是可提供試驗無法獲得的數據。如為設計人員提供全面完整的流場信息,從而為降低流動損失、改善閥門穩定性提供思路,并能預測調節閥運行實況。新的設計方法應該是先選出多種閥門型線組合方案,然后進行大量的數值模擬,從計算結果中獲得一定量指導性依據后,針對不同使用要求和配汽方式再進行內部流場結構的優化,以完善設計。模化試驗僅對典型工況和挑選的閥門型式進行。最終結合試驗和運行數據形成完整的設計方案,其設計流程如圖 1 所示。本思路對完善傳統設計方法不僅必要,而且完全可行,既可節省大量的試驗經費,又可使設計水平顯著提高。

圖 1 調節閥新設計思路的流程圖
圖 1 調節閥新設計思路的流程圖

jiyushangshusilu,wenzhongjiangjieshaodiaojiefasanweiliuchangdeshuzhijisuanfangfa,bingqieduimoutedinggongkuangxiadediaojiefaliuchangjinxingshuzhijisuan。zaichongfenzhangwofamenliudongtexinghexijieliudongxinxidejichushang,duifaneiliuchangjinxingchubuyouhua。。

4 數值計算方法

4.1 jihejiegoujituanliumoxing

womenyichangjiatigongdexingxianfaweili,jibenjiegourutu 2 suoshi,qizhongsanweizuobiaode x zhouweiqiliujinkoufangxiang,y zhouweiqiliuchukoudenifangxiang,youshoudingzequeding z zhoufangxiang。

圖 2 汽輪機調節閥結構示意圖
圖 2 汽輪機調節閥結構示意圖

xianran,diaojiefagongzuozaigaowengaoyazhengqitiaojianxia,qiliudongweisanwei、keyasuo、zhanxingtuanliuliudong。jisuancaiyongsanweileinuopingjunshouhengxing navier-stokes fangcheng,tuanliumoxingxianhouxuanyongle realizablek-ε moxinghebiaozhun k-ε moxing,jingbijiao,liangzhejisuanjieguochabiebumingxian,zuizhongxuanyongjiaochangyongdebiaozhun k-ε tuanliumoxing。caiyongerjiechafengeshilisanfangcheng,yong simple suanfaqiujiekongzhifangcheng。qitizhuangtaifangchengjisuangongshi:

P=ρRTa(1+Bρ+Cρ2)

qizhong:p—qitiyali;ρ—qitimidu;r—qitichangshu;t—qitiwendu;b he c—xishu。

4.2 jisuanwanggehebianjietiaojian

youyudiaojiefaxingqiangjiegoufuza,caiyongfenkuaijiegouhuawangge,tu 3 geichulediaojiefadesanweijisuanwanggeshiyi。jiyufamenjiegoudeduichengxing,jisuanshiquqiyibanjike,wanggedanyuanshuyuewei 90 wan。

圖 3 調節閥的三維計算網格
圖 3 調節閥的三維計算網格

邊界條件按設計數據給定的參數,進口參數為:進口總壓 P0 和總溫 T0,出口為靜壓 P1。因調節閥外壁有保溫措施,所以壁面采用絕熱假定與實際有非常好的近似。對壁面附近的粘性支層的處理有兩種方法,即低 Re 模型和壁面函數法。壁面函數法采用半經驗公式來反映壁面對近壁區流動的影響,在工程湍流的計算中得到了較為廣泛的應用。壁面函數法又可分為兩種:標準壁面函數法和非平衡壁面函數法,本文采用標準壁面函數法。汽流進口考慮到電廠鍋爐管道經過長距離輸送的充分混合后均勻進入到汽輪機,因此,計算時調節閥進口邊界汽流參數認為是均勻的,同時只有沿管道的軸向速度 Vin。進口湍流脈動動能Kin及耗散率εin參照管流經驗公式:

Kin = 0.5%×V2in

εin = K3/2in 3/4Cμ

式中:Cμ=0.09,δ—進口截面的當量半徑。

5 算例分析

據廠家提供的數據,調節閥的配合直徑 D 為 125mm,閥進口總壓 P0 為 8.820MPa,進口總溫 T0為 808K。定義相對升程 L=L/D,其中 L 為閥門的提升高度,D 為閥門的配合直徑。壓比 ε=P1/P0,P1 為閥門的出口靜壓力。通過對此種型線閥在不同升程和不同壓比條件下進行大量的數值計算,能夠掌握閥門的整體流動特性。調節閥的流道結構主要分為 3 個部分:閥腔、閥碟下表面和閥座上表面組成的環行通道及閥座擴壓通道。汽流由進口流入閥腔的較大空間后,流速有所減小,在閥腔內汽流的氣動參數基本上不發生變化,但當汽流一進入閥碟和閥座構成的環行通道后,在極其短的行程中,蒸汽劇烈的膨脹,靜壓迅速降低,流速快速增大,尤其在中小升程。隨著汽流流入閥座擴壓段,其靜壓力又會緩慢的增加直至出口。數值計算不但能夠掌握調節閥的整體流動特點,更為重要的是它可以提供閥內流場的細節信息,從而使設計者能夠通過對流場結構的分析,找出流動不合理的問題所在,并適當地調整現有的閥碟或者閥座的型線,以達到改善閥門通流特性,降低損失,提高閥門穩定性的目的。就本文所選取的調節閥來講,當整個機組在額定工況下運行時,閥門的相對升程 L=28.8%,壓比 ε=0.95,在此工況下對調節閥流場進行數值計算,其 Ma 分布如圖 4 所示。

圖4  L=28.8%,ε=0.95 時中分面上的 Ma 等值線圖
圖4 L=28.8%,ε=0.95 時中分面上的 Ma 等值線圖

zhengtieryan,cigongkuangxiaqiliudeliusubugao,ma shujiaoxiao,qiliudeliudongsunshibuda。danshizaifadiexiafangdejubuquyuneicunzaidedisuqiliu,zaizheyiquyunei ma shuhenxiao,qizhibuzu 0.1,xiguanshangciquyubeichengweikongxuequ。kongxuequdexingchengshiyinweiqiliuyiyidingdejiaoduliurufazuo,rutu 5 suoshi。dangjiasuqiliujinrufazuoshi,huishifadiexiabuyuqiliutuolibingzaiqixiafangxingchengyigekongxuequ。zaizhanxingshuyundezuoyongxia,kongxuelideqitihuibuduanbeiqixiayoudeqiliudaizou,zhezhongchouxizuoyonghuishikongxueneiyalixiajiang,xingchengdiyaqu。dangkongxueneiqitiyalixiajiangdaoyidingchengdushi,tazhouweideqiliujiuhuishenrujinlaitianbukongxue,jiuzheyang,kongxueneideqiliuyibianbutingdibeichouxizou,yibianyouyouqiliujinlaitianbu。zhezhongchouxixingweishiyizhongfeiwentaideliudong,kongxuezhongqiyashikezaibianhua,zheyangjiuhuidaozhizuoyongzaifadiexiabudeyaliyefashengmodongbianhua,jinerkenengyinqifatizhendong。ciwaiduiyufamendetongliutexinglaishuo,kongxuequyeshi“wuyongqu”。

圖 5 空穴區形成的結構示意圖
圖 5 空穴區形成的結構示意圖

weileyouxiaodixiaochukongxuequduifamenwendingliudongdebuliyingxiang,shouxianwomenduitu 4 suoshigongkuangdeliuchangjinxingfenxi,zuizhijiedexiangfajiushiyongshitibufentianchongkongxuequ,weiciwomenzaifadiexiafangyanchangchuyikuaihekongxuequdexingzhuangdaxiaojinsixiangtongdebufen。gaixinghoudejiegourutu 6 suoshi。

圖 6 改型后的型線結構示意圖
圖 6 改型后的型線結構示意圖

duigaixinghoudediaojiefazaiyugaixingqianwanquanxiangtongdejinchukoutiaojianxiajinxingshuzhijisuan。qizhongfenmianshangde ma shufenburutu 7 suoshi。duibitu 4 hetu 7 keyifaxian,gaixinghoudefamenzhengtishangrengranweichidi ma shudeliudongtedian,bingqiefadiexiafangdeqiliusuduxiangyingzengjia,tongweigaixingqianxiangbi,ma shuyouyuanlaidezuidi 0.05 biandao 0.15 yishang,yejiushishuokongxuequjibenxiaoshi。lingyifangmiangaixingqianhouliangfamendetongliuliangfenbiewei 40.912kg/s he 41.273kg/s,kejianduifamendegaixingyebingweiyingxiangtongliunengli。weiciwomenrenweigaixingfanganshichenggongde。

圖 7 改型后調節閥中分面上的 Ma 數分布
圖 7 改型后調節閥中分面上的 Ma 數分布

yishangwomenyongyigelizishuominglebenwensuotichudexindediaojiefashejisiluzhong,tongguoshuzhijisuanlailejieneibuliuchangdexijie,zaicijichushangzhaodaoliuchangbuhelidewentisuozai,bingtongguoshidangdediaozhengfamenxingxianlaiyouhuaneibuliuchangjiegou,congerdadaotigaofamenqidongxingnengdemude,zheyeshibenwensuotichudexinfamenshejisiluzhongdehexinbufen。

6 結束語

zaishenrufenxixianyouqilunjidiaojiefashejifangfadejichushang,tichulexindediaojiefashejisilu。zaixindeshejisiluzhongyinrushuzhijisuandebuzou,tongguoshuzhijisuanlejiefamenneibudexijieliudongxinxi,zhaochuliuchangbuhelidewentisuozai,bingtongguoshidangdecuoshigaishanheyouhuaneibuliuchangjiegou,congerdadaotigaofamenqidongxingnenghezengqiangqiliuwendingxingdemude。zaicijichushangduidianxinggongkuangjinxingmoxingshiyan,zuizhongwanchengfamendesheji。


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