0 前言
汽轮机进气机构通过改变进气轮机的蒸汽流量或流量参数，从而改变其功率或转速，以满足不同工况的需要。调节阀的气动性能和安全性能作为汽轮机进气机构的重要组成部分，将直接影响整个汽轮机组的经济性，因此调节阀的设计一直受到设计师的重视1。调节阀腔结构复杂，受研究手段限制，长期以来以理论计算和试验研究为主要研究手段。由于调节阀在不同的开启位置，其通流面积不是常数，阀后压力随阀开口变化，关系复杂，难以通过理论计算准确获得阀流量，部分文献给出的经验曲线通常针对特定的阀类型，其通用性有限，精度和准确性往往难以满足要求2；虽然通过试验研究可以得到阀门的整体性能，如流量升降曲线，改进力曲线，改进力曲线的实际工作状态，但很难理解阀门内部的不确定性。
近年来，随着流体动力学的计算（CFD）随着计算机技术的快速发展，有可能通过数值模拟手段研究其内部的复杂流动。数值模拟手段不仅可以节省大量的人力和资金，还可以模拟和捕捉调节阀真实工作条件下内部流场和参数的变化和分布规律，使设计师和研究人员对深入地了解内部复杂流动，改善内部流场结构，减少流动损失，最终提高阀门的调节特性和稳定性4。
1 研究对象
本文以某型汽轮发电机进气调节阀为研究对象，通过理论推导和数值模拟手段进行研究。为满足发电机组额定参数启动时流量微调的要求，本文采用梨形阀结构，如图1所示。阀门开度小时，流量变化曲率小，工况低时容易调节流量。
图1 调节阀示意图
2 阀门特性计算
长期以来，对于调节阀的研究以试验研究为主，通过试验得到特定阀门型线的流量系数、彭台门系数等参数，最终得到阀门的流量特性。而针对本文设计的阀门，设计者采用数值模拟手段来代替试验过程，得到系统详细的计算结果，再结合理论计算，最终得到阀门特性。
2. 几何计算
几何参数包括：阀碟半径R1；R1圆心距轴心Y；两个圆心的水平距离b；阀座半径R；升程L，如图2所示。
图2 阀门几何参数
间隙距离
夹角
轴心间隙距
调节阀喉面积
在L取不同值时，即不同开度下，计算出阀门喉部面积，可得到升程－喉部面积关系：
（1）
如图3所示，阀门开度小时，喉部面积小，增速慢，有利于小流量的调节和控制。
2.二 临界流量计算
当已知阀结构尺寸时，其流量Qv取决于阀前参数p0、v0，阀后压力p1.阀门在不同升程过程中的喉部面积Fv，阀门流量公式：
（2）
式中，Φ为阀门流量系数；βv彭台门系数。
当阀门开度发生变化时，中喉区Fv彭台门系数βv所有这些都发生了变化，因此很难通过公式（2）找到其流量Qv。
图3 升程-喉部面积曲线
梨形阀的临界压比与缩放喷嘴相似，与阀门喉部面积和出口面积相比f临界压比公式为：
（3）
当压时，通过阀门的蒸汽处于临界流量，此时阀门流量为临界流量Qvcr，彭台门系数βv=1；当压比ε当阀门的蒸汽处于亚临界流量时，阀门流量为实际流量Qv，彭台门系数βv有关系：
（4）
根据上述关系类型，如果要求临界流量Qvcr，彭台门系数βv，即可找出阀门实际流量Qv。
若阀前参数p0、v保持不变，当p1小时()，阀门可达临界流量Qvcr。换句话说，只要出口压力小于一定压力，阀门流量就会达到恒定值。此时，减少出口压力流量不会改变。此时，流量为临界流量。这是正确的CFD模拟相对容易实现，对于不同开度的阀门模型，保持入口边界条件不变，调整出口压力，直到压力继续减少流量不变化，可获得阀门的临界流量，在不同开度获得临界流量后，相关（5），如图4所示。
（5）
图4 升程-临界流量曲线
2.3 彭台门系数计算
彭台门系数表示阀门实际流量与临界流量之间的关系，即不同压力比下流量的变化，因此彭台门系数是压力比函数。当阀门前参数保持不变时，彭台门系数是阀门后压力函数。由于彭台门系数的传统经验公式只能针对特定类型线的阀门，因此本文通过CFD求解数值模拟法βv。可以认为彭台门系数只是压力函数，所以保持阀门模型开度不变，入口边界条件不变，调整出口压力，分别找到不同压力下的阀门流量，流量与开度下的临界流量，即关系（6），如图5所示。
（6）
图5 阀后压力-彭台门系数曲线
2.4 流量升程计算
根据弗留格尔公式流过调节阀后喷嘴的流量
（7）
式中，Qc、Qcp额定工况下喷嘴变工和流量；p1、p1p额定工况下喷嘴前变工和压力；p2、p2p分级后变工条件和额定工况时的压力；背压p2、p2p很小时，可以近似地认为
可得关系式:
（8）
根据连续方程，流经调节阀的流量等于喷嘴流量，即Qv=Qc，阀后压力与调节阀流量的关系：
（9）
根据之前的收入Qv=Qvcrβv，βv=f（p1)可获得关系式：
（10）
如图6所示，即不同临界流量对应的实际流量。根据之前的升程-临界流量关系Qvcr=f（L），阀门升程-流量关系式：
（11）
图6 实际流量-临界流量曲线
如图7所示，根据喷嘴流量公式
（12）
当喷嘴达到额定工况时，流量处于临界状态Qc此时，喷嘴可以通过的最大流量Qv=Qc'，该值为Qv－L此时，阀门的极限值不会增加流量。
图7 升程-实际流量曲线
3 结论
汽轮机进气调节阀的阀门调节特性在整个机组的调节和运行中起着至关重要的作用。结合调节阀的结构尺寸和阀后喷嘴流量的计算，通过理论公式的推导和数值模拟方法获得了调节阀的临界流量和彭台门系数的函数关系，从而获得了阀门的流量特性。
以往调节阀的设计和计算，无论是理论计算还是试验研究，都无法准确掌握汽轮机进气调节阀的调节特性和流场细节。CFD随着技术的不断发展和完善，利用数值模拟法取代测试已成为当今工程设计的趋势。本文通过理论计算和CFD结合数值模拟，提供了新的阀门设计理念，获得了高精度的阀门特性曲线，为汽轮机进气调节阀的研究做出了一定的贡献。
参考文献
1相晓伟，毛靖儒.研究汽轮机调节阀全工况三维流场特性J］.2006年40(3)西安交通大学学报.
2胡志君，美文群.综合分析调节阀可压缩流体流量系数计算公式J］.炼油化工自动化，1991，(3):70-75.
3相晓伟儒、孙比.汽轮机调节阀设计新思路J］.2006年21(3)热能动力工程.
4徐克鹏，蔡虎.大型汽轮机主汽调节阀的试验与数值分析［J］.动力工程，2003，23（6）：2785－2789.
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