上下游結(jié)構(gòu)對噴嘴調(diào)節(jié)給水泵汽輪機調(diào)節(jié)閥組流動特性的影響

王　鵬，　何　勁，　劉應(yīng)征

(1. 上海交通大學(xué) 燃氣輪機研究院, 上海 200240；

2. 上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 葉輪機械研究所， 上海 200240；

3. 上海汽輪機有限公司， 上海 200240)

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上下游結(jié)構(gòu)對噴嘴調(diào)節(jié)給水泵汽輪機調(diào)節(jié)閥組流動特性的影響

王鵬1,2，何勁3，劉應(yīng)征1,2

(1. 上海交通大學(xué) 燃氣輪機研究院, 上海 200240；

2. 上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 葉輪機械研究所， 上海 200240；

3. 上海汽輪機有限公司， 上海 200240)

摘要：針對某噴嘴調(diào)節(jié)給水泵汽輪機調(diào)節(jié)閥組在額定工況時的三維蒸汽流動，采用計算流體力學(xué)方法對其進行數(shù)值模擬分析，以獲取各調(diào)節(jié)閥均全開時閥組上下游結(jié)構(gòu)對閥組管道內(nèi)部穩(wěn)態(tài)蒸汽流場的影響.計算中采用剪切應(yīng)力輸運模型(SST)來封閉湍流模型控制方程組，并采用多重參考坐標系法(MRF)計算獲取調(diào)節(jié)級內(nèi)動葉排通道區(qū)域的三維蒸汽流場.重點分析了各閥門通道內(nèi)的壓力損失水平、流量分配情況和過熱蒸汽在調(diào)節(jié)閥組系統(tǒng)中的流動特性，以及多閥腔室、閥門出口下游擴壓管路和彎管等部件內(nèi)部的復(fù)雜三維流動特征.結(jié)果表明：調(diào)節(jié)閥流量主要由閥門下游噴嘴數(shù)量決定；調(diào)節(jié)閥距離閥組系統(tǒng)進口的距離對調(diào)節(jié)閥通流能力具有較大影響.

關(guān)鍵詞：給水泵汽輪機； 閥門； 蒸汽流場； 計算流體力學(xué)

給水泵汽輪機是電站熱力循環(huán)系統(tǒng)的主要部件之一，相對于電動泵而言，可以提高總體熱力循環(huán)的效率.因鍋爐給水的要求，給水泵常常需要調(diào)整工作點，給水泵汽輪機常常處于變工況運行狀態(tài)，采用噴嘴調(diào)節(jié)可以得到較高的變工況效率.在給水泵汽輪機中，用于調(diào)節(jié)控制蒸汽流量的調(diào)節(jié)閥組系統(tǒng)常由多個緊湊相連的調(diào)節(jié)閥構(gòu)成，每個調(diào)節(jié)閥都對應(yīng)一部分調(diào)節(jié)級噴嘴，其連接管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以保證對稱分布，而調(diào)節(jié)級整周流量分配嚴重不均勻會影響轉(zhuǎn)子的長期安全運行.此外，即便在各調(diào)節(jié)閥均全開的額定運行工況下，調(diào)節(jié)閥組復(fù)雜管路的存在將不可避免地造成一定的蒸汽壓力損失.因此，在閥組全開情形下，充分了解調(diào)節(jié)閥組系統(tǒng)中各調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的蒸汽壓力損失分布以及流量分配是否均衡等信息，對閥組氣動優(yōu)化設(shè)計和調(diào)節(jié)閥相對布置有著非常重要的指導(dǎo)意義.

電站蒸汽閥門的流動特性在國內(nèi)外都得到了較為廣泛的重視.王煒哲等[1]對某1 000 MW超超臨界汽輪機主調(diào)閥的三維蒸汽流場進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥喉部位置出現(xiàn)較強的分離渦，流動較為紊亂.屠珊等[2]對某汽輪機GX-1型調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動特性進行了實驗和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)非全開工況下閥門喉部流場很不均勻且不穩(wěn)定.高怡秋等[3]采用數(shù)值模擬得到了某型汽輪發(fā)電機進汽調(diào)節(jié)閥的閥門流量特性曲線.相曉偉等[4]針對某汽輪機調(diào)節(jié)閥在全工況運行參數(shù)下的數(shù)值計算表明，在閥門中等開度時，閥碟下方所出現(xiàn)的空穴區(qū)將降低閥門通流能力，并可能導(dǎo)致閥桿振動.Yonezawa等[5]對某發(fā)電廠主蒸汽閥門進行了三維瞬態(tài)蒸汽流場的數(shù)值分析和實驗研究，給出了閥門蒸汽流態(tài)與進出口壓比和開度之間的關(guān)系.此外，Clari等[6]通過數(shù)值模擬和實驗測量某汽輪機調(diào)節(jié)閥內(nèi)的三維流場，對閥門開度以及壓比變化所引起的閥門下游管道分離流動狀態(tài)進行了分類.對于多閥組成的閥組系統(tǒng)，張寶等[7]在得到汽輪機主蒸汽流量后，綜合考慮單個調(diào)節(jié)閥的流量與噴嘴出口壓力的關(guān)系，計算出閥組系統(tǒng)各調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量大小.但這一方法僅考慮了噴嘴對調(diào)節(jié)閥流量大小的影響.對于本文所研究的給水泵汽輪機閥組系統(tǒng)而言，各調(diào)節(jié)閥自身結(jié)構(gòu)及其連接管道不同，且閥門之間存在較大的相互干擾，這將對閥組的流量分配影響很大.且大多數(shù)閥門蒸汽流場的研究都僅涉及單個調(diào)節(jié)閥部件的蒸汽流場.

筆者針對某給水泵汽輪機調(diào)節(jié)閥組，采用計算流體力學(xué)方法對額定工況時整個閥組管道內(nèi)部的氣動特性進行了系統(tǒng)地建模和數(shù)值模擬研究.計算中充分考慮了調(diào)節(jié)級噴嘴和動葉排區(qū)域?qū)﹂y門流場的影響，得到了調(diào)節(jié)閥組系統(tǒng)內(nèi)4個閥門通道的流量分配，并對各調(diào)節(jié)閥及其連接管道內(nèi)的蒸汽流場進行了對比及分析.

1閥組計算模型

圖1為國內(nèi)某給水泵汽輪機進配汽系統(tǒng)示意圖，其流場計算模型見圖2.從圖1可以看出，該閥組系統(tǒng)主要由1個主蒸汽閥和4個緊湊布置的調(diào)節(jié)閥組成，其中閥1、閥3和閥4的閥座喉部直徑為200 mm(DN200)，閥2的閥座喉部直徑為160 mm(DN160).4個調(diào)節(jié)閥下游管道的結(jié)構(gòu)布置非常復(fù)雜，閥1~閥3的下游管道包括擴壓段、彎管段和收縮段，閥4的下游管道則包括較長的等截面管道段、2個90°彎管段及突擴段.閥1、閥3和閥4都對應(yīng)31個噴嘴通道，閥2對應(yīng)19個噴嘴通道，總共112個有效噴嘴通道，而調(diào)節(jié)級動葉排則由72個動葉通道組成.過熱蒸汽經(jīng)主蒸汽閥(含濾網(wǎng))后進入調(diào)節(jié)閥組腔室，沿各調(diào)節(jié)閥門通道流入到對應(yīng)的調(diào)節(jié)級噴嘴組，最后共同通過調(diào)節(jié)級動葉排從系統(tǒng)出口截面流出.以閥1為例，其閥門通道內(nèi)各部件名稱如圖2(b)所示.

圖1　給水泵汽輪機閥組進配汽系統(tǒng)示意圖

(a)調(diào)節(jié)閥組流場計算模型(b)閥1通道示意圖

圖2調(diào)節(jié)閥組計算模型示意圖

Fig.2Calculation model of the control valve system

相對而言，主蒸汽閥在整個閥組系統(tǒng)中的壓力損失較低[8]，且濾網(wǎng)整流使得主蒸汽閥擴壓管道出口處的蒸汽流動較為均勻[9].因此，為了降低數(shù)值計算成本，選取流場計算分析區(qū)域為4個調(diào)節(jié)閥流道、下游連接管路和調(diào)節(jié)級(噴嘴和動葉排)，如圖1中實線方框區(qū)域所示.由于各段調(diào)節(jié)級噴嘴區(qū)所對應(yīng)的上游閥門通道非對稱分布，在計算中必須對調(diào)節(jié)級進行全周期三維建模.計算進口位于主蒸汽閥擴壓管與調(diào)節(jié)閥組連接段處，而出口位于調(diào)節(jié)級后壓力級前的環(huán)形腔室內(nèi)，進出口位置處蒸汽參數(shù)分布相對比較均勻.

2數(shù)值計算方法

采用ANSYS ICEM CFD 14.5軟件對調(diào)節(jié)閥組(即調(diào)節(jié)閥組通道區(qū)域、調(diào)節(jié)級噴嘴區(qū)域以及調(diào)節(jié)級動葉排區(qū)域)計算模型進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對閥頭、閥座、閥后管道以及調(diào)節(jié)級區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密處理.首先對表1中的4套網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關(guān)性測試，測試中以閥組系統(tǒng)出口靜壓為評判標準.測試結(jié)果表明，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，采用網(wǎng)格4計算得到的系統(tǒng)出口靜壓已經(jīng)很小，且與運行參數(shù)(0.889 MPa)相差不大，故最終計算采用網(wǎng)格4.網(wǎng)格4所對應(yīng)的各區(qū)域網(wǎng)格劃分結(jié)果如表2所示.整個區(qū)域網(wǎng)格數(shù)近1 900萬，近壁第一層網(wǎng)格厚度為0.1 mm，以保證y+值小于300.

表1　網(wǎng)格無關(guān)性測試

表2　計算區(qū)域網(wǎng)格劃分結(jié)果

該給水泵汽輪機在額定工況下運行的主要參數(shù)為：閥組系統(tǒng)進口處蒸汽滯止壓力為1.04 MPa,滯止溫度為373.2 ℃，蒸汽質(zhì)量流量為55.74 kg/s，閥組系統(tǒng)出口處蒸汽靜壓為0.889 MPa，調(diào)節(jié)級動葉轉(zhuǎn)速為4 697 r/min.計算時采用進口滯止壓力和滯止溫度作為進口邊界條件，出口處則采用流量邊界條件，將出口處靜壓值作為計算結(jié)果準確性的評判依據(jù).所有固體壁面采用無滑移條件處理.

調(diào)節(jié)閥組結(jié)構(gòu)內(nèi)蒸汽流場非常復(fù)雜，并存在較多的分離區(qū)和漩渦區(qū).較多文獻研究中，閥門穩(wěn)態(tài)流場計算[4,10]采用了標準κ-ε模型并通過驗證表明其計算閥門流場的可行性.剪切應(yīng)力輸運湍流模型(Shear Stress Transport, SST)[11]綜合考慮了κ-ε模型和κ-ω模型的優(yōu)點，即在近壁區(qū)域采用κ-ω模型求解，而在遠離壁面的自由剪切流動區(qū)域則自動采用κ-ε模型求解，避免了κ-ε模型求解近壁區(qū)域的不穩(wěn)定性和κ-ω模型對來流的敏感性.對于穩(wěn)態(tài)流場計算，SST模型整體求解精度較高，能夠滿足工程計算要求.惠偉等[12]通過對雙彎管蝶閥管路流場的數(shù)值計算和實驗對比，發(fā)現(xiàn)SST模型的準確性較高.因此，采用SST模型來封閉控制方程組.調(diào)節(jié)級中的動靜葉區(qū)域流動轉(zhuǎn)換通過多重參考坐標系(Multiple Reference Frame, MRF)[13]法來實現(xiàn).MRF法通過將旋轉(zhuǎn)區(qū)域的靜止坐標系轉(zhuǎn)化為相對旋轉(zhuǎn)坐標系，同時在動靜區(qū)域交界面采用連續(xù)性假設(shè)，最終實現(xiàn)整個區(qū)域流場的定常求解.閥組通道的來流工質(zhì)為高溫高壓過熱蒸汽，故在模擬中采用IAPWS-IF97實際蒸汽模型[9]來計算工質(zhì)熱物性.

3計算結(jié)果與分析

流量系數(shù)定義為閥門通道實際蒸汽質(zhì)量流量與調(diào)節(jié)閥臨界質(zhì)量流量的比值，即：

(1)

式中：qm,ac為CFD計算得到的閥門通道實際蒸汽質(zhì)量流量；qm,cr為調(diào)節(jié)閥臨界質(zhì)量流量.

(2)

為便于對比不同閥門通道的壓損大小，壓損系數(shù)定義為每個調(diào)節(jié)閥通道的局部壓損與整個閥組系統(tǒng)進出口壓損的比值：

(3)

通流能力系數(shù)定義為流量系數(shù)與壓損系數(shù)的比值，以表征相同壓損下閥門的通流量大小，即：

(4)

表3為計算得到的調(diào)節(jié)閥組內(nèi)不同截面位置處的蒸汽質(zhì)量流量和滯止壓力，以及對應(yīng)各個調(diào)節(jié)閥通道的流量系數(shù)ξ、壓損系數(shù)Δp和通流能力系數(shù)φ.

表3　調(diào)節(jié)閥組額定工況下的計算結(jié)果

從表3可以看出，通過閥2的蒸汽質(zhì)量流量占系統(tǒng)總質(zhì)量流量的16.6%，與其所對應(yīng)的噴嘴數(shù)占總噴嘴數(shù)的比例16.96%(19/112)很相近；通過閥1、閥3和閥4的蒸汽質(zhì)量流量占系統(tǒng)總質(zhì)量流量的83.4%，與其所對應(yīng)噴嘴數(shù)占總噴嘴數(shù)的比例83.04%(93/112)十分接近.這說明調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量流量分配主要由每個閥門所對應(yīng)的調(diào)節(jié)級噴嘴數(shù)決定.然而，同一規(guī)格閥門(閥1、閥3和閥4)的蒸汽質(zhì)量流量存在一定差別，即閥4通道的蒸汽質(zhì)量流量比閥3通道的高2.32%，而比閥1通道的高5.85%.從閥門通流能力系數(shù)來看，閥門通流能力的大小與閥門距離系統(tǒng)入口的距離有關(guān)，距離越遠則通流能力越強.

圖3為調(diào)節(jié)閥組通道區(qū)域內(nèi)的馬赫數(shù)分布圖，圖4為對應(yīng)圖3中虛線處各調(diào)節(jié)閥的閥座下游出口截面法向速度分布圖.綜合圖3和圖4可以看出，由于閥1閥座出口布置在下游管道入口的右側(cè)，則在管道左側(cè)形成較大的低速漩渦區(qū)，同時由于閥1通道的右側(cè)進氣速度高于左側(cè)進氣速度，導(dǎo)致在閥1下游管道的右下方也形成了低速漩渦區(qū)，使得閥1通道主要流通面積變小，流動阻力變大.相對于閥1通道，閥3通道左右兩側(cè)進氣速度較為對稱，沒有在左下角形成低速漩渦區(qū)，而只是由于結(jié)構(gòu)布置原因在管道左上方形成低速漩渦區(qū).對于閥4通道而言，閥門左右兩側(cè)的進氣速度大小最為均勻，蒸汽在管道內(nèi)得到充分發(fā)展，但在2個90°彎管處出現(xiàn)了明顯的流動分離現(xiàn)象.閥2的喉部直徑較小，且對應(yīng)的噴嘴數(shù)最少，故其蒸汽質(zhì)量流量最小.且閥2的閥座布置在下游管道入口截面的中間，在管道左右兩側(cè)形成比較對稱的低速漩渦區(qū)，由于閥2通道的右側(cè)進氣速度高于左側(cè)，通道內(nèi)蒸汽的主流方向向左偏轉(zhuǎn).

圖3　調(diào)節(jié)閥組通道區(qū)域內(nèi)馬赫數(shù)的分布

圖5為調(diào)節(jié)閥組管道區(qū)域內(nèi)的三維流線分布圖.從圖5(a)可以看出，由系統(tǒng)進口流入的過熱蒸汽在此側(cè)主要通過閥1、閥2和閥3流入到閥門下游管道，主流區(qū)域呈三角形態(tài)特征并位于腔室右側(cè)底部，從而在閥組腔室左上段形成較為紊亂的低速流動區(qū)域；從圖5(b)可以看出，由系統(tǒng)進口流入的過熱蒸汽在此側(cè)有較多部分流過閥2套筒后上升并繞閥4套筒旋轉(zhuǎn)下降，最后流入閥4下游管道.

圖6為調(diào)節(jié)閥組腔室不同截面位置處的蒸汽流動狀態(tài)分布圖，其中負值表示蒸汽流向閥門下游通道，正值表示蒸汽流向調(diào)節(jié)閥組腔室頂部，箭頭表示蒸汽流動方向.截面a靠近調(diào)節(jié)閥組腔室頂部，整體法向速度較小，漩渦主要存在于不同閥門套筒之間，主要由蒸汽繞流導(dǎo)致.截面b位于調(diào)節(jié)閥組腔室中間，其中閥1套筒周圍蒸汽法向速度為負值，即蒸汽流向閥門下游通道，而在閥2左上方有一股速度較大的上升氣流存在，這股氣流也正是之前提到的流入到閥4通道的蒸汽氣流，而漩渦主要存在于截面上閥1和閥2套筒中間以及閥3和閥4套筒中間，這主要由蒸汽繞流以及流動碰撞摻混導(dǎo)致.截面c靠近調(diào)節(jié)閥組腔室底部，大部分氣流方向為負值，流向閥門下游通道，漩渦主要集中在閥4套筒周圍，主要由氣流碰撞、摻混和卷吸所致.

(a)閥1(b)閥2(c)閥3(d)閥4

圖4各調(diào)節(jié)閥閥座下游出口截面法向速度分布

Fig.4Distribution of normal velocity at downstream outlet of each control valve

(a)前視圖(b)后視圖

圖5調(diào)節(jié)閥組管道區(qū)域的三維流線圖

Fig.5Three-dimensional streamline pattern in different valve passages

(a)截面a(b)截面b(c)截面c

圖6調(diào)節(jié)閥組腔室不同截面處的流態(tài)圖

Fig.6Flow patterns at different cross sections in

multi-valve chamber

圖7為沿蒸汽主流方向觀察到的閥4彎管段不同截面位置處的速度矢量分布圖，其中各箭頭長度一致以體現(xiàn)漩渦分布特征，標號①②③④對應(yīng)圖5中的虛線截面位置.從圖7可以看出，閥4管道的來流順時針旋轉(zhuǎn)，并由于該來流的旋轉(zhuǎn)性，4個截面的蒸汽主流旋轉(zhuǎn)方向為順時針；蒸汽經(jīng)過第一個彎管后在截面②處形成類似于迪恩渦[14]的一對左右反向渦；在第2個彎管的進口截面③處，內(nèi)側(cè)法向速度較高，且內(nèi)側(cè)壁面受到蒸汽沖擊；蒸汽經(jīng)過第2個彎管后同樣在截面④上形成類似于迪恩渦的一對反向渦，并由于來流的旋轉(zhuǎn)性，該對反向渦位于截面上下兩側(cè).

(a)截面①(b)截面②

(c)截面③(d)截面④

圖7閥4通道彎管段不同截面處的流態(tài)圖

Fig.7Flow patterns at different cross sections in tube

bends of valve 4

4結(jié)論

(1) 各調(diào)節(jié)閥均全開的狀態(tài)下，不同調(diào)節(jié)閥通道的通流量大小主要由各閥門所對應(yīng)的調(diào)節(jié)級噴嘴數(shù)決定，但閥門的緊湊布置、閥門在腔室的位置以及閥門下游管道布置等均會影響閥門通流量大小，導(dǎo)致同種規(guī)格閥門中，閥4通道的蒸汽質(zhì)量流量比閥3通道高2.32%，而比閥1通道高5.85%.

(2) 從通流能力系數(shù)來看，閥門距離調(diào)節(jié)閥組系統(tǒng)進口越近,通流能力系數(shù)越小，說明了在相同壓損下各閥門通道的通流能力大小與其距離調(diào)節(jié)閥組系統(tǒng)進口的遠近直接相關(guān)，這是由閥門下游管道入口蒸汽速度的不均勻性造成的：距離越近，入口蒸汽速度越不均勻，從而降低了閥門通道通流能力.

(3) 調(diào)節(jié)閥組腔室內(nèi)由于存在4個調(diào)節(jié)閥以及其對應(yīng)的套筒、閥頭等結(jié)構(gòu)，使得蒸汽在其內(nèi)部發(fā)生較多的碰撞、摻混、繞流和卷吸等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致腔室內(nèi)部流動非常紊亂，內(nèi)部不同橫截面上流動特性均不同.

(4) 由于閥1~閥3通道下游均包含了突擴段，導(dǎo)致下游管道內(nèi)形成了較多的漩渦低速區(qū)，增大了蒸汽的流動阻力；而閥4通道由于其來流環(huán)繞閥4套筒旋轉(zhuǎn)下降，使得蒸汽在閥門下游管道內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)下降，且蒸汽流過2處彎管后出現(xiàn)了較大區(qū)域的流動分離，并均形成了類似于迪恩渦的一對反向渦.

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Influence of Upstream/Downstream Structures on Aerodynamics of Control Valve System in Feed-water Pump Steam Turbine

WANGPeng1,2,HEJin3,LIUYingzheng1,2

(1. Gas Turbine Research Institute, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2. Institute of Turbomachinery, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Turbine Co., Ltd., Shanghai 200240, China)

Abstract：The three-dimensional steam flow in control valve system of a nozzle-governing feed-water pump steam turbine was extensively modeled at the rated condition by using computational fluid dynamics (CFD), so as to study the influence of upstream/downstream structures on internal steam flow field in the piping of control valve system when all the valves are open. In simulation, the shear stress transport (SST) model was used to solve the closure problem of classic governing equations, while the multiple reference frame (MRF) method was used to simulate the flow field around the rotor in the governing state, with focus on the pressure loss and flow distribution in different valve passages, and on the flow characteristics of superheated steam in the control valve system; meanwhile, an analysis was conducted to the complicated three-dimensional steam flow patterns in following components, such as in the multi-valve chamber, the diffuser downstream the valve exit and in the tube bends, etc. Results show that the flow capacity of control valve is mainly determined by the quantity of downstream nozzles, which is greatly influenced by the distance from the control valve to the inlet of the valve system.

Key words：feed-water pump steam turbine; valve; steam flow field; CFD

文章編號：1674-7607(2016)02-0107-06

中圖分類號：TK261

文獻標志碼：A學(xué)科分類號：470.30

作者簡介：王鵬(1991-)，男，河南駐馬店人，博士研究生，研究方向為動力機械氣動力學(xué).劉應(yīng)征(通信作者)，男，教授，博士，電話(Tel.)：021-34206719；E-mail：yzliu@sjtu.edu.cn.

收稿日期：2015-02-03

修訂日期：2015-05-20