基于CFD的蒸汽调节阀流量特性研究之二

        0 前言
        汽轮机为了与外界负荷保持平衡，经常需要调整其功率，而决定汽轮机功率的最重要也是最容易控制的因素是汽轮机的进汽量。目前常见的汽轮机配汽方式主要包括：喷嘴配汽、节流配汽、滑压配汽、全电调式配汽、旁通配汽。喷嘴配汽作为最常见的配汽方式，主要由部分进汽度可变的调节级和采用多阀系统的调节阀组成。汽轮机第一通流级静叶分成若干个“喷嘴组”，与相同数量的调节阀相连，阀后空间相互隔开，允许各喷嘴组前建立不同的压力，通过不同的流量，二者共同参与流量的调节。
        通常喷嘴配汽调节级动叶承受最大强度时，一般不是发生在最大流量工况下，而是发生在第二组调节阀将开未开时。为了扩大低负荷节流配汽运行段，改善调节级动叶强度设计条件和气动阶段进汽加热均匀性，设计者可采用Ⅰ阀、Ⅱ阀同步开启，或Ⅰ阀、Ⅱ阀阀后联通的方式［1］
        Ⅰ阀、Ⅱ阀阀后联通的方式可有效减小在低负荷运行、小流量调节时叶片的汽流弯应力，提高机组运行的安全可靠性。通常一个调节阀与一个喷嘴组对应，两个流道相互独立，即阀Ⅰ对应喷嘴组Ⅰ，阀Ⅱ对应喷嘴组Ⅱ，以下简称原阀，如图1（a）；而联通阀则是将阀后流道联通，即阀Ⅰ对应喷嘴组Ⅰ、喷嘴组Ⅱ，阀Ⅱ也对应喷嘴组Ⅰ、喷嘴组Ⅱ，以下简称联通阀，如图1（b）。这样不但降低了叶片强度，提高了稳定性，而且两阀联通与单个大尺寸阀门相比，该结构也不会产生因阀门面积增大而增加油动机负担的问题。

图1 调节阀示意图

        1 联通阀的计算
        通常在第一个阀打开后，后续阀门的开启应选取合适的重迭度，以使流量升程曲线线性化，避免因下一阀打开初期流量增加、功率减小引起负荷的摆动。对于本文阀门，重迭量取8mm，原阀组流量升程曲线如图2所示，在后续阀门开启时流量曲线变化率不大，流量过渡平稳。

图2 阀组升程－流量曲线

        当采用联通阀结构型式，其流量的计算与原阀有所不同。阀后喷嘴有流量公式
        （1）
        式中，p1、υ1为喷嘴前、调节阀后蒸汽压力、比容；Fc为喷嘴喉部面积；μ为喷嘴流量系数；βc为喷嘴彭台门系数。
        由于阀门的节流作用，焓值不变，即有p0v0=p1v1，公式变为
        （2）
        对于联通阀结构，当阀门Ⅰ开启时，与原阀相比，此时喷嘴面积扩大为原来的2倍，当流量与原流量相同时，阀后压力p1仅有原阀的一半，而调节阀彭台门系数βv也相应改变，因此函数Qv=f（Qvcr，βv）发生变化，如图3所示。

图3 实际流量－临界流量曲线

        对于阀门Ⅰ、阀门Ⅱ：
        （3）
        式中，QⅠcr、QⅡcr为阀Ⅰ、阀Ⅱ临界流量；βⅠ、βⅡ为阀Ⅰ、阀Ⅱ彭台门系数；QZ为阀Ⅰ、阀Ⅱ总流量；Qc为阀后喷嘴流量。
        而彭台门系数仅为阀后压力的函数，而阀Ⅰ与阀Ⅱ阀后压力相同，因此βⅠ=βⅡ=βv，则

图4 阀组升程－流量曲线对比 

       
        又有Qvcr=f（L），再根据上文得到的新的函数关系Qv=f（Qvcr，βv），联立即可求出阀Ⅰ、阀Ⅱ的总流量QZ，则阀组的流量升程曲线如图4所示。
        可以看出，联通阀在阀Ⅱ开启初期出现了流量的突然上升，这是由于阀Ⅰ对应的喷嘴面积增大，在开启过程中压力随升程升高较原阀缓慢，在相同升程时彭台门系数比原阀要大，因此流量也相对增大。    
        2 阀门型线的设计
        为了避免升程为8＜L＜16时流量突增的情况，需对现有的阀门型线做出调整，可改变的型线有：阀Ⅰ升程8＜L＜16的型线，或阀Ⅱ升程0＜L＜8的型线。综合考虑结构以及工作量等因素，决定对阀Ⅰ升程8＜L＜16的型线进行改进。
        型线改进方法选择倒推法，即以给定流量升程曲线为目标函数，求出几何约束，对型线进行修正，再对修正后的阀门型线进行验算。本文以原阀流量升程QY为目标曲线，即图4中“原阀”在升程为8＜L＜16时的流量曲线，则有
       

        若忽略阀门型线修正后带来的影响，用原阀门型线ΦⅠ值近似代替ΦA，βv值近似代替βAv，则可求出目标喉部面积－升程曲线，如图5所示。

图5 目标喉部面积－升程曲线

        在得到目标喉部面积后，即可确定阀门型线，对于阀Ⅰ新型线在L＜8mm时保持不变，在L＞8mm时，根据几何计算公式：
        （7）
    式中，Y为喉部间隙距中心距离；Δ为喉部间隙距离。
        调整Y与Δ的值，使FAv'等于FAv，并保证型线光滑、连续，在得到不同升程时的Y值后，及可构造出阀门型线，如图6所示。

图6 新阀门型线

        3 阀门型线的验算
        在得到新的阀门型线后，需对其进行重新复算，以验证结果的准确性并考核新型线阀门的流量特性。根据前面介绍的CFD计算方法，将新型线阀Ⅰ与阀Ⅱ进行联算，分别得到临界流量、彭台门系数等值，如图7、图8所示。
        根据上述计算结果并结合前面的公式，可得到以下关系式：
        （8）

图7 新型线临界流量－升程曲线

图8 新型线阀后压力－彭台门系数曲线

        联立求解以上7个方程，得到Qv=f（L），即新型线联通阀的流量升程曲线，如图9。从图中可以看出新联通阀流量特性曲线与原阀在升程L＜16mm时基本相同，避免了原联通阀出现的流量曲率不光滑的现象，使流量在阀Ⅱ开启后平稳过渡，达到设计要求。

图9 新型线流量－升程曲线对比

        4 结论    
        为了扩大低负荷节流配汽运行段，改善调节级动叶强度设计条件，本文对调节阀组采用了阀后联通的结构型式。根据理论公式推导，结合CFD数值模拟手段得到了阀门的流量特性。运用倒推法对阀门型线进行了改进，以给定流量升程曲线为目标函数，求出几何约束，对型线进行修正，再对新的阀门型线进行验算，得到了比较满意的结果。
        参考文献
        ［1］中国动力工程学会．火力发电设备技术手册［M］．北京：机械工业出版社，2004．