基于CFD的蒸汽调节阀流量特性研究之二

第53卷第6期2011年12月汽轮机技术TURBINETECHNOL0GYVOL_53NO6DEC201L基于CFD的蒸汽调节阀流量特性研究之二高怡秋，周振东，张李伟中国船舶重工集团公司第704研究所，上海200031摘要汽轮机蒸汽调节阀采用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。对阀后联通结构的调节阀进行了理论推导和计算，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做出了改进，得到新的型线并进行了验算，结果表明阀门流量特性曲线光滑、平稳，调节性能良好。关键词汽轮机；蒸汽调节阀；联通阀；流量特性；CFD分类号TK2633文献标识码A文章编号1D015884F201106042203INVESTIGATEFLUXCHARACTERTOSTEAMADJUSTIVEVALVETHROUGHCFDMETHODGA0YIQIU，ZHOUZHENDONG，ZHANGLIWEITHE704RESEARCHINSTITUTEOFCSIC，SHANGHAI200031，CHINAABSTRACTSTEAMTURBINEADJUSTIVEVALVEBYTHESTRUCTUREOFCONNECTIVITYCANREDUCEAIRBENDINGSTRESSEFFECTIVELYWHENINLOWLOADORLOWFLUXCONDITION，ANDTHENRAISETHERELIABILITYOFEQUIPMENTTHISPAPERDEDUCTANDCALCULATETHEFLUXCHARACTEROFVALVECOMBINEDWITHCFDMETHODBASEDONTHISSTRUCTUREDEDUCEBACKWARDTOIMPROVELINEOFVMVEANDVALIDATEIT，THERESULTINDICATETHATFLUXCURVEISSMOOTHANDADJUSTIVECHARACTERISGOODKEYWORDSTURBINE；STEAMADJUSTIVEVALVE；CONNECTIVEVALVE；FLUXCHARACTER；CFD0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、阀同步开启，或I阀、阀阀后联通的方式。I阀、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，阀对应喷嘴组，以下简称原阀，如图1U；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，阀也对应喷嘴组I、喷嘴组，以下简称联通阀，如图1B。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L联通阀的计算阀V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8RAM，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。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厂Q07524PLF。1V11式中，P、为喷嘴前、调节阀后蒸汽压力、比容；FC为喷嘴喉收稿日期2011306作者简介高怡秋1983，男，工学硕士，主要从事主要从事船舶汽轮辅机的相关研究。一一第6期高怡秋等基于CFD的蒸汽调节阀流量特性研究之二423图2组升程一流量曲线部面积渺为喷嘴流量系数；卢为喷嘴彭台门系数。由于阀门的节流作用，焓值不变，即有POP，公式变为厂QC。7524PFC2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P。仅有原阀的一半，而调节阀彭台门系数届也相应改变，因此函数Q，Q卢发生变化，如图3所示。图3实际流量一临界流量曲线对于阀门I、阀门QIQIIQQO8QL，三8咖3QZQIQ，L8MM07524P。屠式中，Q、Q为阀I、阀临界流量；|8I、卢为阀I、阀彭台门系数；Q为阀I、阀总流量；Q。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与阀阀后压力相同，因此卢L卢卢，则876SO0L02O30升程RAM图4阀组升程一流量曲线对比QZQQIQ_QI，Q，又有Q，L，再根据上文得到的新的函数关系Q，Q，卢，联立即可求出阀I、阀的总流量Q，则阀组的流量升程曲线如图4所示。可以看出，联通阀在阀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88MM时，根据几何计算公式，27RYT7式中，Y为喉部间隙距中心距离；为喉部间隙距离。调整Y与的值，使等于，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。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与阀进行联算，分别得876S43210，BO、暮堪424汽轮机技术第53卷图6新阀门型线到临界流量、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2520喜L、O050QLQL3IP卢APT8QQIIPQ一O_S24PF。QQ。O5L0L5升程MM图7新型线临界流量一升程曲线联立求解以上7个方程，得到Q_厂三，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L16MM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，使流量在阀开启后平稳过渡，达到设计要求。S035Z。150图8新型线阀后压力一彭台门系数曲线04结论升程RAM图9新型线流量一升程曲线对比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上接第421页2席亚宾，马永光M701F燃气轮机温度保护回路优化分析J电力建设，2009，30979813王娥，杜鑫，等地面重型燃气轮机压气机叶型的优化设计J汽轮机技术，2010，5219124冀春俊，徐世泊，于飞燃气轮机燃烧室内部两相流动数值模拟与结构优化J动力工程，2004，2456987025陈越强，朱蓓丽，陈端石优化设计法在燃气轮机进气消声器设计中的应用J噪声与振动控制，1992，653L4186余敏，陈丽超，余宾燃气轮机装置热力参数优选下的回热器结构参数优化J上海理工大学学报，2010，3221831867ZHENGSHILI，MAMTIMIN，LIEYUSTUDYONPARAMETRICMODELINGMETHODFORFEAMODELOFPERIODICSYMMETRICSTRUTSSUPPOJKEYENGINEERINGMATERIALS，2011，4624639909958MAMTIMIN，WEIBINGLIU，LIEYUSTUDYONDYNAMICRESPONSEANDTHEEFFECTTOCENTERLEVELHEISHTOFPERIODICSYMMETRICSTRUTSSUPPORTJKEYENGINEERINGMATERIALS，2011，4624639859899WEIBINGLIU，MAMTIMIN，LIEYUEFFECTOFMESHSIZEOFFINITEELEMENTANA