兩種調(diào)節(jié)汽閥流動分析和結(jié)構(gòu)比較

[摘 要] 使用了流動分析軟件對A、B兩種雙座調(diào)閥進(jìn)行了通流分析，給出了調(diào)閥通流能力和實(shí)際流動狀態(tài)，在分析流動特性對閥桿振動摩擦的影響基礎(chǔ)上，得出了以下結(jié)論：B型調(diào)閥結(jié)構(gòu)流動損失較大，流動效率低于A型調(diào)閥；兩種調(diào)閥受到旋轉(zhuǎn)力矩較小，但因氣流沖擊導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)中應(yīng)增加閥桿防轉(zhuǎn)機(jī)制；A型和B型調(diào)閥的閥桿懸臂結(jié)構(gòu)容易在氣流力作用下產(chǎn)生偏向磨損，B型調(diào)閥比A型更能抗擊側(cè)向激振。

[關(guān) 鍵 詞] 調(diào)節(jié)汽閥；流動汽閥；通流分析

[中圖分類號] G718 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）02-0045-03

一、概述

進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥門是汽輪機(jī)工況調(diào)節(jié)的一個重要的組成部分，主要作用是調(diào)節(jié)汽輪機(jī)進(jìn)汽流量以達(dá)到控制汽輪機(jī)運(yùn)行的目的。進(jìn)汽調(diào)閥必須滿足一些基本的要求：可通過閥桿行程調(diào)節(jié)閥門通流截面，以控制流量；調(diào)閥阻力特別是全開時，阻力要小，以提高汽輪機(jī)效率；控制調(diào)閥開啟時可根據(jù)所受到的蒸汽壓力，以選擇合適的伺服器；必要時，閥門應(yīng)能保證關(guān)閉全部進(jìn)汽道。

一般來說，以上四點(diǎn)是調(diào)閥設(shè)計必須考慮的問題，但有的時候也需要在不能完全滿足四個要求時，通過取舍決定適合實(shí)際運(yùn)行的設(shè)計。

某汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥門在運(yùn)行過程中某調(diào)閥（后稱A型）磨損嚴(yán)重，因此采用了另外一種改型調(diào)閥的形式，后文稱B型調(diào)閥。本文將通過A、B兩種調(diào)閥的通流分析，給出了一定條件下的調(diào)閥內(nèi)部流動的結(jié)果，并分析比較兩種調(diào)閥通流的差異之處。

二、結(jié)構(gòu)模型及邊界條件

兩種調(diào)閥均為雙座單閥結(jié)構(gòu)，A型調(diào)閥上座是碟型，下座為筒型。而B型調(diào)閥上座是筒形，下座也為筒形，不過下座改進(jìn)有一個小平底作密封用。計算時A型調(diào)閥模型是直接從三維調(diào)閥模型中提取出來，并增加了進(jìn)口段和出口段。兩種調(diào)閥網(wǎng)格模型網(wǎng)格數(shù)規(guī)模下，網(wǎng)格經(jīng)過無關(guān)性驗(yàn)證。

進(jìn)汽結(jié)構(gòu)閥門是由閥門通流截面積來決定通過的流量，由于不同形式的閥座的面積和結(jié)構(gòu)的不同，因此只能通過幾何數(shù)據(jù)，計算出行程與調(diào)閥截面積（喉部面積）之間的關(guān)系。通過曲面擬合給出了調(diào)閥截面積曲線擬合公式，并用擬合公式給出調(diào)閥升程與調(diào)閥截面積之間的曲線關(guān)系，如圖1所示。

圖1顯示兩個調(diào)閥升程與閥口面積大體上呈線性關(guān)系，這是因?yàn)锳型調(diào)閥上閥座為蝶閥，曲線斜度較小，面積變化較為緩慢。B型調(diào)閥主體部分基本呈線性，這個與筒型閥座的特性相符合。為了比較兩個調(diào)閥的通流性能，引入了開度的概念。

定義開度為以調(diào)閥升程為基準(zhǔn)的無量綱參數(shù)。其公式為調(diào)閥的升程除以最大升程，取值在0到1之間。B型的調(diào)閥開啟截面積與A型調(diào)閥的截面積相同時，開度相同。故圖中閥門面積相同的橫向直線開度相等。圖1給出了計算所用的0.1～0.5的5個開度曲線。

同時也要指出，由于通流計算邊界條件的給定一般需要進(jìn)出口壓力或者其中一側(cè)為流量。通過計算和實(shí)際結(jié)合，給出了A型調(diào)閥在升程50%左右（即開度為0.5的條件下，達(dá)到實(shí)際運(yùn)行最大流量附近）壓力損失為10.8%。根據(jù)閥口開啟壓力的一般曲線形式，考慮用拋物線公式模擬閥口開啟時的壓力變化。在開度相同的條件下，可認(rèn)為最小截面積相同，則閥門前后壓力也相同。同時在閥口未開啟條件下，閥后壓力認(rèn)為與排氣壓力相同。同時，給定

進(jìn)汽壓力條件，入口總壓為3.7MPa，溫度為390℃，并給定內(nèi)壁面均為絕熱，且粗糙度為0.025mm。用CFX軟件分析，采用高階精度流動格式，一階湍流數(shù)值格式，和K-ε兩方程湍流模型。

三、結(jié)果分析

兩個調(diào)閥在相同截面和相同壓差條件下，得到圖2的流量結(jié)果。圖2顯示A型調(diào)閥的流量均比相同條件下B型調(diào)閥要大。而且隨著開度越來越大。兩個閥門結(jié)構(gòu)不太一樣，B型上下閥門均是筒式，進(jìn)汽口子為圓周切出三個口子。在相同截面積條件下，流量依然與A型調(diào)閥有不少差距。因此，B型形式的調(diào)閥的流動損失較大，通過能力較弱，對于進(jìn)汽效率較為不利。

為了更好地表示其流動的計算結(jié)果，結(jié)果展示重要的截面提取通過調(diào)閥中心線的豎直截面。以下結(jié)果比較的是0.5開度條件下的計算結(jié)果。圖3和圖4給出了開度0.5條件下的該截面上的壓力分布云圖。

截面上的壓力分布顯示，A型調(diào)閥壓力分布較為均勻，隨著氣流進(jìn)入閥門壓力變化較為緩和。而B型調(diào)閥的壓力變化更加劇烈，特別是閥口部分，出現(xiàn)了壓力低于排氣壓力的區(qū)域，證明由于流過閥口噴嘴可能造成附近真空現(xiàn)象。

圖5和圖6給出了0.5開度條件下截面上的速度流線分布?？梢钥吹絻蓚€閥門的流動形式有很大程度的不同。A型調(diào)閥的下閥左側(cè)進(jìn)入的蒸汽向上直噴，直到閥門上壁位置才分散卷積到不同位置，并與上閥進(jìn)入蒸汽混合。上閥蒸汽沿著閥口流線型邊界進(jìn)入閥體，而后與下閥氣流發(fā)生混合。而B型的下閥氣流則直接沖向側(cè)壁面，而后在側(cè)壁面分成上下兩支，上分支與上閥蒸汽發(fā)生混合流動，并伴隨有多個渦流。從圖中右側(cè)出口段的渦流看出兩種調(diào)閥蒸汽在出口段上下并不均勻。A型的主流流體已經(jīng)集中在出口段中部位置，管道上下均出現(xiàn)了一定的回流。B型調(diào)閥出口段蒸汽明顯是下部較為集中，流動還不是很穩(wěn)定。從整體的渦流數(shù)量和流動形態(tài)中看出，A型的渦流范圍大，流動較為穩(wěn)定，通過流量較大，而B型閥口渦流較多，流動更加混亂，造成流動損失較大。從流動角度講，上下閥座均為筒型的B型的調(diào)閥三口進(jìn)入的氣流相互沖擊造成很大的混合損失，較為不利。

由于A型調(diào)閥在實(shí)際中磨損較為嚴(yán)重，考查調(diào)閥閥桿和閥碟部分力矩狀況。圖7給出了兩個調(diào)閥所受的旋轉(zhuǎn)力矩，其中兩個調(diào)閥所受的旋轉(zhuǎn)力矩均是上下震蕩形式，證明在開度變化條件下，調(diào)閥由氣流摩擦沖擊造成的旋轉(zhuǎn)方向是不同的。其次，該旋轉(zhuǎn)力矩數(shù)量級在0.1N·m左右。A型調(diào)閥上部大部分閥桿沒有約束，與閥桿套之間也是油潤滑，摩擦力也很小，故也可能在變工況時發(fā)生轉(zhuǎn)動。所以建議增加防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)機(jī)制。

閥碟與閥桿是上部連接，而下部懸空，可認(rèn)為懸臂梁結(jié)構(gòu)，只有一端與閥殼接觸。對于懸臂梁結(jié)構(gòu)來說，遠(yuǎn)端容易出現(xiàn)梁側(cè)偏。而筒型閥座本身與閥碟之間存在一定間隙，所以容易出現(xiàn)單側(cè)接觸。如果汽輪機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生變動，接觸區(qū)域也會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)摩擦。

從結(jié)構(gòu)上說，A型調(diào)閥的閥桿力臂較長，產(chǎn)生的力矩會比較大，磨損更容易發(fā)生。如進(jìn)行改進(jìn)，閥桿上下均需要有約束，這樣對于上下閥碟來說力臂將縮短。故建議采用閥桿貫穿上下閥蓋，在上下閥蓋處均有約束的結(jié)構(gòu)，減少磨損，增加調(diào)閥穩(wěn)定性。

四、結(jié)論

本文使用了流動分析軟件對兩種雙座調(diào)閥進(jìn)行了通流分析，給出了調(diào)閥的蒸汽流動結(jié)果和對調(diào)閥的沖擊影響。得出了以下結(jié)論：

1.B型調(diào)閥結(jié)構(gòu)流動損失較大，流動效率低于A型調(diào)閥。

2.兩種調(diào)閥受到旋轉(zhuǎn)力矩較小，但因氣流沖擊導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)中應(yīng)增加閥桿防轉(zhuǎn)機(jī)制。

3.A型和B型調(diào)閥的閥桿懸臂結(jié)構(gòu)容易在氣流力作用下產(chǎn)生偏向磨損，B型調(diào)閥比A型調(diào)閥更能抗擊側(cè)向激振。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡頤年.蒸汽輪機(jī)[M].西安交通大學(xué)出版社，1981.

[2]相曉偉，毛靖儒，孫弼.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥設(shè)計的新思路[J].熱能動力工程，2006（3）.

[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，2006（3）.

[4]屠珊，孫弼，毛靖儒.氣流誘發(fā)調(diào)節(jié)閥桿振動的研究[J].動力工程，2004（5）.