濾網(wǎng)對汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥氣動性能影響的模擬及試驗(yàn)研究

鐘主海， 孫 奇， 田朝陽， 楊長柱

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽 618000)

常規(guī)亞臨界機(jī)組汽輪機(jī)高壓缸調(diào)節(jié)閥的閥門總壓損失系數(shù)增加1%，缸效率下降約0.4%，其中調(diào)節(jié)閥在某些工況下，不僅有較大的能量損失，而且流場若不穩(wěn)定將會直接導(dǎo)致閥碟等運(yùn)動部件振動，并引發(fā)閥桿斷裂甚至造成機(jī)組停機(jī)等事故[1-2]。

為進(jìn)一步揭示閥內(nèi)復(fù)雜流動特性，國內(nèi)外不少研究者開展了相關(guān)研究。張大霽等[3]對某典型汽輪機(jī)的高壓調(diào)節(jié)閥運(yùn)行過程中產(chǎn)生的異常振動進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了具體改進(jìn)措施，如在閥腔內(nèi)設(shè)置防擾流結(jié)構(gòu)可以降低汽流對沖強(qiáng)度，以及優(yōu)化閥碟與閥座型線提高閥內(nèi)流場的均勻性等。ZHANG D等[4]對某?；y的噪聲、振動等特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：閥內(nèi)流場的不均勻，易引起汽流呈現(xiàn)明顯的非對稱性，增加閥桿異常振動甚至導(dǎo)致閥桿斷裂。徐克鵬等[5]對某600 MW汽輪機(jī)組的聯(lián)合汽閥進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值對比分析，結(jié)果表明：全開工況下閥碟閥座喉部附近的汽流流速較高，造成流動損失相對較大，并且流場不均勻是產(chǎn)生流動損失進(jìn)而導(dǎo)致閥門異常振動的根本原因。BIANCHINI C等[6]對工業(yè)汽輪機(jī)中雙閥座調(diào)節(jié)閥內(nèi)不穩(wěn)定蒸汽流動進(jìn)行了非定常流動數(shù)值模擬，結(jié)果表明：環(huán)形通道出口下游的湍流脈動會引起強(qiáng)烈振動。亞聲速工況下，雙座閥內(nèi)、外腔的壓力脈動具有相關(guān)性；當(dāng)閥座喉部氣流達(dá)到聲速時，內(nèi)腔的脈動相對減小，外腔由于高速射流沖擊的作用，其脈動的幅度相對較大。HARDIN J等[7]對某汽輪機(jī)閥門振動原因進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：閥桿產(chǎn)生的大幅度異常振動的原因是流動過程中流場的不穩(wěn)定性，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[4-5]完全一致。閥內(nèi)蒸汽的不穩(wěn)定流動引起閥桿振動的頻率大部分在150 Hz以下，明顯低于閥桿等部件的固有頻率，因此通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)來調(diào)整固有頻率幾乎達(dá)不到改善閥桿振動的效果，但是通過優(yōu)化閥碟與閥座的型線來控制閥內(nèi)高速區(qū)流場特性對改善閥桿振動有重要影響?？紫榱值萚8]對某核電機(jī)組汽輪機(jī)閥門進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值研究，結(jié)果表明：閥座喉部的消音座將引起速度場和壓力場的嚴(yán)重不均勻，導(dǎo)致總壓損失增加，但是其可以顯著改善閥腔后管路的振動，起到很好的減振作用。

?；囼?yàn)測試目前仍是獲取閥門總體工作性能(如通流能力、閥門壓損、提升力特性和穩(wěn)定性等)的主要手段，但很難精確地描述閥內(nèi)流場的分布情況，缺乏揭示流動誘發(fā)的氣動噪聲和閥桿系統(tǒng)振動等問題形成機(jī)理的量化依據(jù)。近年來，數(shù)值模擬手段隨著軟件和硬件的發(fā)展也得到了迅速的發(fā)展，關(guān)于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動特性研究也在逐步完善。濾網(wǎng)作為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的關(guān)鍵部件，對閥門整體的氣動性能和閥門內(nèi)部流場的穩(wěn)定性有著重要的影響，但對濾網(wǎng)上萬個小孔進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分卻是很難實(shí)現(xiàn)，原因是濾網(wǎng)小孔與輪廓結(jié)構(gòu)兩種尺寸間的網(wǎng)格尺寸過渡不合理極易導(dǎo)致網(wǎng)格畸形，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果無法收斂。若將整體網(wǎng)格尺度設(shè)置過小，則生成的網(wǎng)格數(shù)量將會十分龐大，計(jì)算時間非常長而無法滿足工程應(yīng)用要求。

目前，可利用商業(yè)軟件中的多介質(zhì)模型來模擬環(huán)形濾網(wǎng)流動過程，同時可有效解決上述問題[9]。筆者借鑒汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥多孔介質(zhì)模型，基于多孔介質(zhì)模型對有、無濾網(wǎng)的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而為真實(shí)有濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的閥門設(shè)計(jì)提供更可靠的技術(shù)依據(jù)。

1 模型建立

1.1 研究對象

以某電廠亞臨界汽輪機(jī)組采用的調(diào)節(jié)閥為研究對象，其主要結(jié)構(gòu)(見圖1)包括閥碟、閥座、濾網(wǎng)(見圖2)、閥桿和閥碟套筒等部件。

圖1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)剖視圖

圖2 環(huán)形濾網(wǎng)實(shí)體照片

為便于試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果對比分析，均采用相同配汽工況，即在相同的升程與流動參數(shù)條件下獲取工作性能結(jié)果。調(diào)節(jié)閥相對升程的定義為：

(1)

1.2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Ρ确治?，需要對試?yàn)?zāi)Ｐ完P(guān)鍵部件(如閥碟、閥座等)進(jìn)行全尺寸建模。為保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果之間具有可比性，第一層網(wǎng)格尺度須保證壁面Y+(無量綱量)處于合理范圍內(nèi)，計(jì)算時有效將Y+控制在20以下，其分布云圖見圖3。

圖3 Y+分布云圖

1.3 控制方程求解及邊界條件

數(shù)值計(jì)算采用全三維納維-斯托克斯方程(簡稱N-S方程)和剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)湍流模型，為提高計(jì)算精度，動量、能量、湍動能及湍流耗散率的離散格式均采用高分辨率的二階迎風(fēng)格式。計(jì)算采用實(shí)際空氣作為工質(zhì)，采用試驗(yàn)測量的總溫、總壓和來流方向作為數(shù)值計(jì)算的進(jìn)口邊界條件，采用試驗(yàn)測量的平均靜壓為出口邊界條件。試驗(yàn)過程中閥內(nèi)流速高，對壁面?zhèn)鳠岬挠绊戄^小，因此將其按照絕熱壁面處理。多孔介質(zhì)模型流動損失特性的計(jì)算中，采用真實(shí)濾網(wǎng)的孔隙率(約0.4)，其慣性損失系數(shù)約為12.5。

1.4 閥門氣動性能的評價指標(biāo)

總壓損失系數(shù)作為閥門氣動性能評價指標(biāo)之一，其具體定義為：

ζ=(ptotal,in-ptotal,out)/ptotal,in

(2)

式中：ζ為總壓損失系數(shù)；ptotal,in、ptotal,out分別為調(diào)節(jié)閥進(jìn)、出口特征截面上氣流的平均總壓，Pa。

流量系數(shù)的定義為：

ξ=qm/qmc

(3)

(4)

式中：ξ為測量工況對應(yīng)升程下的流量系數(shù)；qm為通過閥門的質(zhì)量流量，kg/s；qmc為測量工況特定升程下的臨界質(zhì)量流量，kg/s；Fc為閥座特征截面處的面積，m2；k為工質(zhì)的等熵指數(shù)；p0為

閥門進(jìn)口的總壓，Pa；v0為閥門進(jìn)口的滯止比體積，m3/kg。

2 調(diào)節(jié)閥?；囼?yàn)系統(tǒng)

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對閥門在有、無濾網(wǎng)條件下分別進(jìn)行模化試驗(yàn)與性能測試。將壓縮空氣作為?；囼?yàn)的替代工質(zhì)，圖4為閥門性能試驗(yàn)系統(tǒng)和測點(diǎn)布置示意圖。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括5個部分：氣源及參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、閥前整流段、被測?；y、排氣段、性能測試與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。壓縮空氣經(jīng)儲氣罐穩(wěn)壓后進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)，然后經(jīng)擴(kuò)壓穩(wěn)壓段流場穩(wěn)定后進(jìn)入調(diào)節(jié)閥；氣流流過閥碟和閥座型線形成的環(huán)形通道后，流速迅速升高，最終通過閥座擴(kuò)壓段擴(kuò)壓后流入排氣管道；氣流在進(jìn)、出被測模化閥時分別對其壓力、溫度和流量進(jìn)行測量。通過旁通閥調(diào)節(jié)每種工況需要的流動參數(shù)；等到整個系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定后，動、靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集記錄數(shù)據(jù)，同時采集系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)時輸出流量系數(shù)等性能數(shù)據(jù)。

圖4 閥門性能試驗(yàn)系統(tǒng)和測點(diǎn)布置示意圖

3 試驗(yàn)和模擬結(jié)果

表1為閥門氣動特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比，其中：流量系數(shù)和總壓損失系數(shù)分別以工況3有濾網(wǎng)模擬值為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理。表1列出的計(jì)算工況的相對升程和對應(yīng)的進(jìn)出口壓比的涵蓋范圍較廣，基本反映了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥全開和部分負(fù)荷運(yùn)行的實(shí)際工況。

表1 閥門氣動特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

由表1可以看出：各工況下有濾網(wǎng)時調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值的最大相對偏差均在±5%以內(nèi)，這表明基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件中提供的多孔介質(zhì)模型對有濾網(wǎng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行數(shù)值研究是可行的，并且滿足工程快速預(yù)測的要求。各工況下有、無濾網(wǎng)時調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的最大相對偏差均在±3.5%以內(nèi)，這表明濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)對所研究工況的主流場的影響相對較小，只是在不同工況下有所差異。相比于工況1和工況2，工況3調(diào)節(jié)閥有無濾網(wǎng)對流量系數(shù)的影響較大，原因是在小升程和小壓比的條件下，通過閥門的體積流量小，濾網(wǎng)的節(jié)流和繞流作用很弱；對于全開且壓比為0.9的亞聲速流動工況而言，體積流量大幅度增加，閥內(nèi)繞濾網(wǎng)外輪廓?dú)饬骱屠@閥套外徑氣流的繞流能力加強(qiáng)，濾網(wǎng)上萬個小孔的節(jié)流作用也增強(qiáng)，因此在大升程和大壓比的條件下，閥內(nèi)繞濾網(wǎng)氣流和穿過濾網(wǎng)孔氣流的流動效應(yīng)更加顯著。在閥腔增加濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)后，減弱了閥腔內(nèi)氣流的繞流作用，同時結(jié)合小孔的節(jié)流整流作用，使其流場的均勻性有所提升，總壓損失系數(shù)下降得較為顯著?；诶@流理論分析可知，根本原因是該閥門的濾網(wǎng)外輪廓直徑與閥腔內(nèi)徑匹配關(guān)系對過流繞流的控制不充分，表現(xiàn)出在大升程下閥門的總壓損失增加較大，在小升程下濾網(wǎng)對閥內(nèi)的流動損失影響較小的基本規(guī)律。

表2為3種工況下調(diào)節(jié)閥閥碟不同方向上受力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，其中：計(jì)算結(jié)果分別以不同方向上工況3有濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算值為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理。

表2 調(diào)節(jié)閥閥碟不同方向上受力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出：不同工況下，閥碟在來流方向、閥桿軸方向上所受的流動不平衡力比在垂直來流方向上小，氣流以繞流方式進(jìn)入濾網(wǎng)后，濾網(wǎng)內(nèi)閥碟壁面在來流方向上的受力有明顯改變，繞流顯著減小了閥碟在來流方向上的受力。

圖5為調(diào)節(jié)閥在工況3有、無濾網(wǎng)時來流方向中分面的速度矢量圖。

圖5 調(diào)節(jié)閥在工況3有、無濾網(wǎng)時來流方向中分面的速度矢量圖

由圖5可以看出：環(huán)形濾網(wǎng)的存在顯著提高了閥內(nèi)流場分布的對稱性，減小了閥碟在來流方向與垂直來流方向上的受力，提高了閥門運(yùn)行的穩(wěn)定性。與此同時，環(huán)形濾網(wǎng)的存在還削弱了閥座下游偏斜流場的回流強(qiáng)度，閥座出口流場的均勻性也得到顯著提高。濾網(wǎng)不僅對來流具有整流作用，而且有效控制了閥腔內(nèi)的繞流。

圖6為調(diào)節(jié)閥在工況3有、無濾網(wǎng)時閥腔中分面的速度矢量圖。由圖6可以看出：濾網(wǎng)外輪廓尺寸與閥腔內(nèi)徑的匹配關(guān)系并沒有達(dá)到理想的匹配狀態(tài)，因此有濾網(wǎng)的繞流出現(xiàn)了不對稱分布的現(xiàn)象。換種角度思考，如果濾網(wǎng)孔隙率與閥座喉部通流面積匹配合理，并且濾網(wǎng)輪廓尺寸與閥殼及閥套輪廓尺寸匹配合理，那么濾網(wǎng)的存在就可保證閥腔中分面的兩側(cè)繞流完全對稱，同時閥座通道流動的對稱性還可以進(jìn)一步提高。濾網(wǎng)存在的最重要作用是，顯著提高整體流場的對稱性和穩(wěn)定性，減弱繞流引起的低頻激勵源效應(yīng)。對無濾網(wǎng)的調(diào)節(jié)閥，其繞流空間更大，繞流導(dǎo)致下游流場偏斜顯著，造成回流沖擊閥碟下方壁面的不穩(wěn)定力更大，導(dǎo)致閥桿系統(tǒng)振動受到的流動激勵也隨之增大。濾網(wǎng)的存在可以減小不穩(wěn)定流動對閥碟外壁的不平衡力，對提升閥桿系統(tǒng)的穩(wěn)定性十分有利。

圖6 調(diào)節(jié)閥在工況3有、無濾網(wǎng)時閥腔中分面的速度矢量圖

4 結(jié)語

對亞臨界機(jī)組上普遍使用的汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥在有、無濾網(wǎng)的情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析及試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1) 基于CFD軟件中提供的多孔介質(zhì)模型對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行數(shù)值研究，調(diào)節(jié)閥的氣動性能可滿足閥門關(guān)鍵工況性能預(yù)測的工程應(yīng)用要求。

(2) 濾網(wǎng)的存在對閥門的流量系數(shù)和總壓損失系數(shù)的影響相對較小。流體以繞流方式進(jìn)入濾網(wǎng)，再經(jīng)歷節(jié)流產(chǎn)生了部分流動損失。有濾網(wǎng)時，濾網(wǎng)后流場的分布對稱性得到明顯改善。

(3) 濾網(wǎng)對單向進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥內(nèi)工質(zhì)流動具有整流和顯著控制繞流的作用，能明顯改變閥碟周圍的壓力分布，顯著減小閥碟來流方向上所受的不平衡力，提高了流場穩(wěn)定性。