帶濾網(wǎng)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的數(shù)值分析

趙玉柱

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

帶濾網(wǎng)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的數(shù)值分析

趙玉柱

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥自身的氣動性能直接影響電廠的安全高效運(yùn)行，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對帶濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的GI閥進(jìn)行研究，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，詳細(xì)分析了帶濾網(wǎng)閥門內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)，得出了濾網(wǎng)對閥門性能的影響，為電廠閥門的可靠運(yùn)行提供依據(jù)。

汽輪機(jī)；調(diào)節(jié)閥；試驗(yàn)研究；數(shù)值模擬

0 引言

鍋爐產(chǎn)生的新蒸汽通過主汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)入到汽輪機(jī)中進(jìn)行做功，調(diào)節(jié)閥不僅受到高溫高壓的蒸汽影響，工作環(huán)境惡劣，而且電廠負(fù)荷不斷變化的情況下還需要控制進(jìn)入汽輪機(jī)的流量，從而改變其出力。大型汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)閥的正常工作直接關(guān)系到電廠的生產(chǎn)安全，一直是電廠技術(shù)監(jiān)督的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著數(shù)值仿真技術(shù)的快速發(fā)展，可以借助數(shù)值計(jì)算的方法對閥門內(nèi)部的流動情況進(jìn)行更加深刻的理解，并借助數(shù)值仿真改進(jìn)閥門結(jié)構(gòu)型線，從而實(shí)現(xiàn)閥門性能優(yōu)化的目的。本文通過試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法對帶濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)GI進(jìn)行全面的分析，并將結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[1]。

1 GI閥數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

由于本次計(jì)算主要考慮濾網(wǎng)對通流能力和壓損的影響，因此三維建模忽略了卸載結(jié)構(gòu)的影響。

調(diào)節(jié)閥工作在高溫高壓蒸汽條件下,其流動為三維、可壓縮、黏性湍流流動。計(jì)算采用三維雷諾平均守恒型Navier-Stokes方程,湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。采用二階差分格式離散方程,用SIMPLE算法求解控制方程。

邊界條件按設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)給定,進(jìn)出口參數(shù):進(jìn)口總壓P0和總溫T0，出口為靜壓P1，介質(zhì)選用空氣。

圖1和圖2分別為GI閥三維結(jié)構(gòu)模型和網(wǎng)格劃分圖。

圖1 GI閥三維結(jié)構(gòu)模型圖

圖2 中間截面網(wǎng)格示意圖

1.2 模型驗(yàn)證

對帶濾網(wǎng)GI調(diào)節(jié)閥的六種典型工況進(jìn)行了流場分析，并通過與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)行驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，這5個(gè)工況的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果最多相差2.65%、最小相差只有0.37%，吻合性良好，說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性高。

表1 GI閥濾網(wǎng)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)臨界流量系數(shù)比較結(jié)果

1.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析帶濾網(wǎng)閥門的流動特性，選取典型工況1(升程4.43mm壓比0.5)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行截取不同界面流場和壓力云圖，如圖3-圖5所示，調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的壓力損失主要集中在由閥碟與閥座構(gòu)成的環(huán)形通道區(qū)域，這是由于當(dāng)氣流由主汽閥通過管道進(jìn)入到調(diào)節(jié)閥閥腔以后，壓力有所增加，但是變化不大。但是當(dāng)氣流由閥腔進(jìn)入到環(huán)形通道以后，由于通流面積的迅速減小，速度急劇增大，而壓力相應(yīng)的下降，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的節(jié)流作用。此外，濾網(wǎng)的存在也參生了一定的節(jié)流作用，造成了當(dāng)?shù)貕毫p失。但是經(jīng)過濾網(wǎng)整流后的壓力場分布更加均勻，這在一定程度上會抵消由于濾網(wǎng)節(jié)流而產(chǎn)生的壓力損失。因此在小升程小壓比情況下，雖然濾網(wǎng)對閥腔內(nèi)的流動有整流作用，但是此時(shí)閥內(nèi)為對稱沖擊射流，流動的慣性力較大，使得上游閥腔內(nèi)流動對下游的流型影響可以忽略不計(jì)。

圖3 工況1帶濾網(wǎng)速度矢量圖

圖4 工況1有濾網(wǎng)速度矢量圖

圖5 工況1有濾網(wǎng)壓力云圖

圖6、圖7是工況4(升程29.23mm壓比0.9)的閥腔內(nèi)壓力和速度分布情況的的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。由此看到，在大升程大壓比下閥內(nèi)為相對均勻流，濾網(wǎng)使得進(jìn)入環(huán)形通道的流體更加平穩(wěn)，因而閥碟下方的流動更加均勻，損失減小。此時(shí)雖然濾網(wǎng)增加了閥腔內(nèi)的節(jié)流損失，但是下方環(huán)形通道后的沿程損失因流型均勻而降低，因此加濾網(wǎng)后閥內(nèi)總體損失并不一定因?yàn)榧訛V網(wǎng)而增大。

從帶濾網(wǎng)的GI閥數(shù)值計(jì)算得到的閥腔速度矢量圖和壓力云圖可以看出，主蒸汽通過進(jìn)口流入由閥碟與閥座形成的環(huán)形通道后，形成了沖擊射流，這在小升程小壓比的情況下是在所難免的。經(jīng)過環(huán)形通道后，由于面積的擴(kuò)大使得流速下降，壓力升高，動能迅速轉(zhuǎn)化為壓力能，但轉(zhuǎn)化幅度并不大。另一方面，閥腔內(nèi)的主流一部分直接撞擊到閥碟套筒的壁面上，從而引起氣流滯止，使得當(dāng)?shù)貕毫χ颠_(dá)到最高；而大部分氣流則會擾流套筒，形成類似于繞圓柱流的流動，在流動的過程中，氣流會發(fā)生分離，并且在閥碟套筒的后部流動摻混，形成對稱的漩渦，在此處同樣會造成能量的損失。

圖6 工況4帶濾網(wǎng)壓力云圖

圖7 工況4帶濾網(wǎng)速度矢量分布

2 結(jié)語

通過觀察有濾網(wǎng)GI閥內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，在小升程小壓比情況下，通過濾網(wǎng)整流而改善閥內(nèi)通流的效果不是很明顯；而在大升程大壓比情況下，氣流經(jīng)過濾網(wǎng)的整流以后在閥碟套筒周圍的壓力分布更加均勻，在閥碟套筒上滯止壓力的大小與閥碟套筒后部的壓力差值更小，這可以有效減小閥碟套筒周圍的不對稱力進(jìn)而可以減小傳遞到閥桿上的不對稱力，最終會減小閥桿的振動，而這也是工程追求的目標(biāo)。

[1] 徐克鵬，蔡虎，崔永強(qiáng)，等.大型汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)閥的試驗(yàn)與數(shù)值分析[J].動力工程,2003，23（6）：2785-2789.

[2] 毛靖儒，屠珊，劉全恩，等.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動特性的試驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2002,23(6):687-690.

[3] 相曉偉,毛靖儒,孫弼,等.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥全工況三維流場特性的數(shù)值研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,40(3):289-293.

[4] 王志偉.核電汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥通流特性及濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響的研究[D].西安:西安交通大學(xué),2013.

修回日期：2016-12-19

Numerical Analysis of Turbine Control Valve with Filter Screen

ZHAO Yu-zhu
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

The aerodynamic performances of turbine control valve have an important influence on the safety and efficiency of the plant. In this work, we apply the experimental and numerical method to study the performances of the G1 control valve with filter screen, and compare the numerical results with experimental work. We analyze the flow field inside the control valve and obtain the effect of the filter screen on the performance of control valve. All these results can give evidence and suggestions to the plant for a more safe operation.

turbine；control valve；experimental study；numerical simulation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.009

TK262

B

2095-3429（2016）06-0033-03

趙玉柱（1981-），男，寧夏石嘴山人，碩士，高級工程師，主要從事大型火力發(fā)電廠汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)能效測試及性能診斷方面的研究。

2016-10-18