0 概述
近年来，汽轮机的启动和停止以及功率的变化是通过改变进入汽轮机的蒸汽流量或蒸汽参数来实现的。显然，调节阀内的流动特性和工作可靠性对整个汽轮机的安全经济运行有重要影响。调节阀结构复杂，流道为双喉喷嘴，流动分布变化规律复杂，研究分析汽轮机调节阀内部流场，分析其整体性能和流场细节，研究损失机制，提出优化阀盘和阀座线的方案，提高调节阀的可靠性和经济性。
调节阀作为汽轮机蒸汽系统的执行机构，是行业工作效率和安全最具挖掘潜力的部分，但由于缺乏先进的测试仪器和手段，阀门流动特性系统研究不多，国外使用二维轴对称模型视觉实验研究和三元模型试验，但实际阀门由于流动变化引起的振动流场没有显示。到目前为止，工程设计中调节阀的流动特性参数主要是指一些设计手册中提供的经验公式和系数，估计误差很大，阻碍了阀门质量的提高。CFD数值模拟技术为准确预测和分析阀门的流动特性提供了有效的新途径。本文为600MW超临界汽轮机调节阀的数值模拟分析对汽轮机调节阀的设计、运行和气动性能优化具有重要意义。
1 计算模型及网格划分
1.1 几何模型
调节阀采用两组进气阀，进气阀体为主气阀和调节气阀的组合结构，如图1所示。阀体保留了主控制阀、阀杆、阀盘、阀座和进出口线的所有原型结构。
600)this.style.width='600px';">
图1
1.2 网格划分及边界条件
图2给出了蒸汽流经空间几何通道的计算网格图，在喉咙等关键部位进行了网格局部加密和应用Gambit网格划分软件生成调节阀非结构化网格，网格单元数约120万，使用Fluent6.2.并行计算软件在曙光高速并行机上计算全三维流场。基本方程为三维可压N2S方程，采用非耦合求解器，采用隐式算法，定常流动。采用定比热计算，湍流模型采用标准k2ω模型，近壁面采用标准壁面函数进行处理。边界条件给定进口总压、总温和出口静压。
表1 调节阀边界条件
600)this.style.width='600px';">
表1给出了超临界调节阀进出口的边界条件，其中蒸汽进口湍流为3%，水力直径为250mm；出口湍流为8%，水力直径为172mm。
600)this.style.width='600px';">
图2 调节阀局部计算网格
♂
2 计算结果分析
2.1 调节阀马赫数等值线分析
600)this.style.width='600px';">
图3 调节阀汽流马赫数等值线图(100%开度)
600)this.style.width='600px';">
图4 调节阀汽流马赫数等值线图(50%开度)
600)this.style.width='600px';">
图5 调节阀汽流马赫数等值线图（30%开度）
图3、图4和图5分别给出了100%、50%和30%开度下马赫数等值线图。如图所示，随着开度的降低，马赫数的最大值增加，从100%开度到0.马赫数最大值增加到30%.4.由于阀体内空间较大，在通过阀盘和阀座组成的环形通道前，流体速度变化较小，速度较低。随着开度和通流能力的降低，阀体内大空间的流量逐渐下降，马赫数从100%开始.当009降至30%开度时.03.如图所示，马赫数变化较大的区域主要集中在环形通道和阀碟下的扩压区。
当最大开度（100%）时，调节阀中心表面两侧形成强射流，且不对称。中心表面左侧（靠近主蒸汽入口侧）的蒸汽流从喉部喷出，然后形成阀座附着流；中心表面右侧（远离主蒸汽入口侧）的蒸汽流从喉部喷射后形成较大的蒸汽流影响区，蒸汽流喷射的影响区一直延续到出口。两侧的蒸汽流混合，相互影响形成不对称汇流。原因是在此开度（100%）下，阀门开度较大，主蒸汽阀的蒸汽通过左侧流动90°旋转直接流经调节阀喉部至出口，右侧蒸汽流为流经调节阀杆的圆柱绕流。在流动过程中，蒸汽流量在较大的调节阀空间中扩大，流量较低。
600)this.style.width='600px';">
图6 马赫数等值线喉部放大图(30%开度)
图6显示了30%开度时马赫数等值线喉部放大图。如图6所示，流体在喉部出口处形成阀座附着流，无汽流混合。由于阀盘的独特设计，高速流体附着在阀座壁上。阀盘下部设有间隙边缘，使汽流从阀盘表面强制分离。这种流动特性一直持续到出口。在阀盘下方至出口的扩压区，除了靠近墙面区域的流体外，
♂
2.2 不同工况开度下调节阀内部流动分布
600)this.style.width='600px';">
图7 蒸汽阀气流及局部放大图(100%开度)
600)this.style.width='600px';">
图8 蒸汽阀气流及局部放大图(50%开度)
600)this.style.width='600px';">
图9 蒸汽阀气流及局部放大图(30%开度)
图7、图8和图9显示了蒸汽阀在不同工作条件下的蒸汽流量。从图中可以看出，不同尺寸的涡流系统分布和调节阀空间中的参数变化。在100%的工作条件下，调节阀具有较强的通流能力，从喉部到出口区间的蒸汽流量混合，这里的参数变化缓解。随着开度的降低，调节阀的通流能力减弱，喉部区域的参数变化剧烈，但喉部出口区域的流相对清晰，沿喉部周向出口的气流不混合。因此，可以进一步说明，阀盘的凹面设计减少了不同开口条件下蒸汽流量混合造成的能量损失。
3 结论
(1)由阀盘和阀座组成的环形通道是三个气动性能的关键部流场特性和稳定性的关键部件。
(2)调节阀的阀盘采用凹形设计。汽流从喉部喷射后，迅速脱离阀盘，在阀座曲线收敛段形成附着流，避免了流经阀盘表面周向流体的能量损失。
（3）在调节阀的喉出口，蒸汽流入凹面空间，减速和扩大压力。由于反向压力梯度，阀座壁边界层回流，形成阀座曲线收敛段壁附近的涡流区。
参考文献
[1] 相晓伟，毛靖儒，孙弼.研究汽轮机调节阀全工况三维流场特性的数值.2006年西安交通大学学报40(3)
[2] 王冬梅，陶正良，贾青.二维数值模拟和高压蒸汽阀内流场流动特性分析.2004年动力工程；24(5):690-697
[3] 徐克鹏，蔡虎，崔永强.大型汽轮机主汽调节阀的实验和数值分析.2003年动力工程；23(6)
[4] 屠珊，孙弼，毛靖儒.调节阀不稳定性研究是由非常复杂的流动引起的.2:19-21
[5] 相晓伟，毛靖儒，孙弼.汽轮机调节阀设计的新思路.2006年热能动力工程；21(3)
[6] 相晓伟，毛靖儒，孙弼.研究汽轮机调节阀的通流和损失特性.2006年西安交通大学学报40(7):762-766
[7] 屠珊，孙弼，毛靖儒.汽轮机GX21和数值研究21型调节阀的流动特性.2003年Xi交通大学学报，37(11)
[8] 石娟，姚征，马明轩.调节阀内三维流动和启闭过程的数值模拟和分析.2005年上海理工大学学报；27(6):498-502
[9] 屠珊，毛靖儒，孙弼.调节阀不稳定性研究综述由非常复杂的流动诱发.2000年流体机械；28(4)
咨询需求
