（动力机械及工程专业论文）600mw汽轮机进汽阀内部流场的数值分析.pdf

华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 大型汽轮机组的高压进汽阀压损对机组经济性具有较大影响，通过结构改进或 机组运行中的阀门管理来减小调节阀压损，对提高汽轮机组运行效率具有重要意 义。本文利用f l u e n t 软件对6 0 0 m w 汽轮机组进汽阀内部流场进行了数值分析， 给出了阀门内流动压损分布和流量分配情况，分析了蒸汽在阀门中的流动特点及流 动损失产生的机理；并对不同阀门管理方式下阀门内部流场进行了数值分析，给出 了机组不同阀门管理方式时的流动压损，讨论了不同阀门管理方式对机组运行经济 性的影响，对阀门管理方式给出了指导性建议。 关键词：汽轮机，高压进汽阀，阀门管理，数值模拟 a b s t r a c t t h e p r e s s u r el o s so fh i g h p r e s s u r ei n l e tv a l v eo fs t e a mt u r b i n eh a sag r e a ti m p a c to n e c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fl a r g es t e a mt u r b i n eu n i t i ti so f i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v e t u r b i n ee f f i c i e n c yb yi m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo ft h ev a l v eo rr e d u c i n gt h ep r e s s u r el o s so f g o v 锄o rv a l v eb yv a l v em a n a g e m e n ti nt h eo p e r a t i o n i nt h i sp a p e r , f l u e n ts o f t w a r ew a s e m p l o y e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h ei n t e r n a lf l o wf i e l do f6 0 0 m ws t e a mt u r b i n ei n l e t v a l v e s t h et o t a lp r e s s u r el o s sa n dt h ep r e s s u r el o s sd i s t r i b u t i o na l o n gf l o wp a t hw e r e p r e s e n t e d t h ea s s i g n m e n to fm a s sf l o wb e t w e e nt w oc o n t r o l l i n gv a l v e sw a sg i v e n f l o w c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e s s u r el o s sm e c h a n i s mo ft h ev a l v ew a sd i s c u s s e d t h ei n t e r n a l f l o wf i e l dw a ss i m u l a t e df o rd i f f e r e n tv a l v em a n a g e m e n t t h ee f f e c to fv a l v e m a n a g e m e n to nt h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo ft h eu n i t w a sd i s c u s s e d g u i d a n c e s u g g e s t i o nf o rv a l v em a n a g e m e n tw a sm a d e w uq i o n g ( p o w e rm a c h i n ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a nz h o n g h e k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n e ，h i g h p r e s s u r ei n l e t v a l v e ，v a l v em a n a g e m e n t ， n um e r i c a is i m u l a t i o n 华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 大型汽轮机组的高压进汽阀压损对机组经济性具有较大影响，通过结构改进或 机组运行中的阀门管理来减小调节阀压损，对提高汽轮机组运行效率具有重要意 义。本文利用f l u e n t 软件对6 0 0 m w 汽轮机组进汽阀内部流场进行了数值分析， 给出了阀门内流动压损分布和流量分配情况，分析了蒸汽在阀门中的流动特点及流 动损失产生的机理；并对不同阀门管理方式下阀门内部流场进行了数值分析，给出 了机组不同阀门管理方式时的流动压损，讨论了不同阀门管理方式对机组运行经济 性的影响，对阀门管理方式给出了指导性建议。 关键词：汽轮机，高压进汽阀，阀门管理，数值模拟 a b s t r a c t t h e p r e s s u r el o s so fh i g h p r e s s u r ei n l e tv a l v eo fs t e a mt u r b i n eh a sag r e a ti m p a c to n e c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fl a r g es t e a mt u r b i n eu n i t i ti so fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v e t u r b i n ee f f i c i e n c yb yi m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo ft h ev a l v eo rr e d u c i n gt h ep r e s s u r el o s so f g o v 锄o rv a l v eb yv a l v em a n a g e m e n ti nt h eo p e r a t i o n i nt h i sp a p e r , f l u e n ts o f t w a r ew a s e m p l o y e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h ei n t e r n a lf l o wf i e l do f6 0 0 m ws t e a mt u r b i n ei n l e t v a l v e s t h et o t a lp r e s s u r el o s sa n dt h ep r e s s u r el o s sd i s t r i b u t i o na l o n gf l o wp a t hw e r e p r e s e n t e d t h ea s s i g n m e n to fm a s sf l o wb e t w e e nt w oc o n t r o l l i n gv a l v e sw a sg i v e n f l o w c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e s s u r el o s sm e c h a n i s mo ft h ev a l v ew a sd i s c u s s e d t h ei n t e r n a l f l o wf i e l dw a ss i m u l a t e df o rd i f f e r e n tv a l v em a n a g e m e n t t h ee f f e c to fv a l v e m a n a g e m e n t o nt h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo ft h eu n i tw a sd i s c u s s e d g u i d a n c e s u g g e s t i o nf o rv a l v em a n a g e m e n tw a sm a d e w uq i o n g ( p o w e rm a c h i n ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a nz h o n g h e k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n e ，h i g h p r e s s u r ei n l e t v a l v e ，v a l v em a n a g e m e n t ， n um e r i c a is i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文6 0 0 m w 汽轮机进汽阀内部流场 的数值分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出和研究的意义 汽轮机是一种以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转换为机械能的旋转机械。蒸汽 进入汽轮机的第一级之前必须先经过主汽门、调节汽门和蒸汽室，蒸汽通过这些进 汽机构时将产生压降，其中主汽门和调节汽门的压降最大【l 】。通过主汽调节阀可以 改变进入汽轮机的蒸汽流量，进而改变其出力或转速，以适应不同工况的需要。作 为连接锅炉和汽轮机的关键部件，大型汽轮机高压主汽调节阀的气动性能和安全性 能与电厂的安全高效运行直接相关，因而一直受到电厂和汽轮机制造厂商的重视。 大型汽轮机组的高压调节阀压损对机组经济性具有较大影响，对于亚临界参数 以上机组，高压调节阀压损每上升1 ，高压缸效率约下降o 4 【2 1 。因此通过结构 改进或机组运行中的阀门管理来减小调节阀压损，对提高汽轮机组运行效率具有重 要意义。 汽轮机调节阀的安全和高效运行一直是热动力行业发展中追求的两大技术指 标。汽轮机的主汽调节阀型腔结构复杂，研究手段受到一定限制，长期以来实验研 究一直是主要的研究手段。通过实验研究虽然能够测出阀门的总体性能( 如流量升 程曲线、提升力曲线、阀门损失等) ，但难以了解阀门内部的复杂流动细节。因此， 阀门结构的改进往往是根据设计人员的经验和对流动的设想进行的，存在一定的不 确定性，很难获得更好的结果。 近年来，随着计算流体动力学( c f d ) 和计算机技术的飞速发展，采用数值模拟 手段对其内部的复杂流动进行研究成为可能。采用c f d 方法研究，可以得到阀门内 部复杂流动的详细信息。数值模拟手段加深了阀门的设计者和科研人员对其内部复 杂流动的认识，使人们可以通过实验和数值手段对汽轮机的调节阀进行研究和相互 验证，得到其总体性能和内部流场细节，并分析损失在阀门内部沿流程的分布，讨 论损失产生的机理，以期获得更合理的阀门结构，从而改善其内部流动特性，达到 降低流动损失，改善阀门的性能的目的。 现今大容量汽轮机多采用喷嘴调节方式。采用喷嘴调节时，多个调节汽阀依次 开启，流入汽轮机的蒸汽量将是各阀门流量的总和。每一组阀门由一个调节阀门控 制。调节阀门开启顺序、丌启个数和开度不同，通流能力、调节级效率、蒸汽弯应 力和调节级蒸汽对转子的作用力不同，影响机组各工况的效率和强度振动特性。 d e h 调节系统一般采用高压抗燃液油动机，油动机能够小型化，使得有可能每 华北电力人学硕士学位论文 一个调节阀配一个油动机。d e h 调节系统通过强大的运算功能能够分别控制每一个 调节阀。调节阀的开启顺序、每个阀门的开度和阀门之间的重叠度都可以通过d e h 来改变设定。由d e h 调节系统来分别控制每一个调节阀，这就是阀门管理。通过 改变阀门开启顺序，可以调整调节级蒸汽对转子的作用力，进而调整与调节级相邻 轴承的载荷，改善轴承的振动特性：可以实现全周进汽或部分进汽；也可以调整调 节级动叶的蒸汽弯应力。通过给定合适的阀门重叠度，可以改善调节级效率，提高 机组效率。这就是阀门管理的优越性。由此可知，给出合适的阀门管理参数是非常 重要的。 1 2 汽轮机进汽阀简介 1 2 1 主汽阀的结构与性能 从功能上分，汽轮机的进汽阀分为主汽阀( s t o pv a l v e m a i nv a l v e ) 和调节阀 ( c o n t r o l l i n gv a l v e g o v e r n i n gv a l v e ) 。 主汽阀是装在锅炉蒸汽管道的出口与汽轮机入口处阀门的总称，是控制蒸汽通 道的重要阀门，是保证机组安全启停和运行的关键部件，如图1 1 所示。一般情况 下汽轮机的主汽阀只有两种状态：全开和全关。在汽轮机正常运行的过程中主汽阀 一直处于全开状态，其主要功能是在危急情况下能够迅速关闭，切断进入汽轮机的 主蒸汽的通道，使机组停机。以防止产生过大的超速或尽可能防止事故的扩大。有 的汽轮机主汽阀设计使其在机组启动过程中可以用来控制升速，甚至可以控制带部 分负荷。汽轮机的高压主汽阀均装有蒸汽滤网，主要目的是防止蒸汽中夹杂的大尺 度固体粒子冲击阀碟、阀座以及汽轮机的高压部分叶片，造成上述部件损坏【3 ，4 】。 图卜1 主汽阀的结构 2 叶 3一7； i_li 。 一双黟。誊孙 华北电力大学硕士学位论文 与其功能相对应，汽轮机主汽阀应满足以下要求【5 9 】： 一是具有快速关闭特性。对于中小型机组要求关闭时间小于o 5 秒，对于大型 机组则应在0 2 秒以内，以防止发生严重超速。这就要求动作执行机构灵活可靠， 因此汽轮机的运行规程要求对主汽阀定期进行阀杆活动，以防止卡涩。 二是要求主汽阀具有足够的强度。能够在高温高压的环境中经受住热应力和主 蒸汽压力而长期安全可靠地工作，这就对阀壳材料的选取和结构设计都提出了很高 的要求。 三是主汽阀要有良好的密封性能。对高参数汽轮机来说，在正常进汽参数和排 汽压力情况下，要求在主汽阀完全关闭，调节阀处于全开状态时，机组的转速能够 降到1 0 0 0 r p m 。 四是要求启动性能良好，阀门的压力损失应尽可能低，并为其后的调节阀提供 合理的来流条件，以尽量减少高压蒸汽的压力损失，充分利用其作功能力。 五是要求阀门管道布置合理，具有良好的工艺性，制造安装维修方便。 从外部结构形式上看，主汽阀有两类，即立式主汽阀( 如图1 2 ) 和卧式主汽阀 ( 如图1 3 ) 。 图1 - 2 立式主汽阀 3u 华北电力大学硕士学位论文 图卜3 卧式主汽阀 两种形式各有优缺点，根据总体布置的需要，在实际运行中均大量采用。国产三 缸三排汽2 0 0 m w 和引进型亚临界6 0 0 m w 汽轮机等均采用卧式主汽阀，而国产 1 0 0 m w 、国产上汽型1 2 5 m w 等则采用立式主汽阀。卧式主汽阀是指阀杆水平布置。 其优点是蒸汽管道弯头少，汽流转折次数少，相应的管道压力损失也小，但由于其阀 杆处于水平悬臂状态，故容易在重力作用下产生变形，导致活动部件卡涩，在结构设 计时需要考虑增加导向装置，而且安装维修均不方便。立式主汽阀是指阀杆垂直设 置。其优点是安装维修方便，阀杆不易变形卡涩，缺点在于管道布置困难，会增加附 加压损，而且当油动机设置在阀门上部时，泄露的机油滴落在高温阀体上会产生火 灾隐患，近年来采用高压抗燃油油动机可以解决该问题【m ，】。 1 2 2 调节阀的结构与性能 汽轮机调节阀是用来调节蒸汽流量和压力的阀门，如图1 4 所示。汽轮机调节 阀的主要功能是通过阀杆升程的变化改变通流部分的喉部面积，调节汽轮机的进汽 量从而控制机组的主力或转速，以适应不同工况的需要。喷嘴配汽的汽轮机一般具 有四至八只高压调节阀，分别控制不同的喷嘴弧段。对于采用顺序阀运行的汽轮机 而言，在运行过程中一般某些阀门处于全开状态儿通常有一个阀门处于活动状态， 4 华北电力大学硕十学位论文 其开度随负荷或转速随时发生变化。在单阀运行状态下各调节阀处于同步活动状态， 实现了汽轮机的节流调节。具体的调节方式的选择需要进行技术经济性分析【3 , 1 1 】。 图1 - 4 调节汽阀 对汽轮机调节阀的性能通常有如下要求： 调节阀在紧急状态下能够快速关闭，以确保机组的安全性，与主汽阀一样，对于 大型机组要求完全关闭时间小于0 2 秒 调节阀也应具有足够的强度，不但要求在高温高压环境下能够经受热应力和蒸 汽压力的考验，长期安全可靠地运行，而且要求能够经受住振动、冲击等而不造成部 件破坏。调节阀应具有良好的密封性能在正常进汽参数和排汽压力下，主汽阀全开， 调节阀全关，机组转速能够降至1 0 0 0 r p m 以下。 调节阀的动作执行机构灵活可靠，对流量的调节灵敏而且平稳，最理想的性能 是能够控制汽轮机出力均匀变化。 调节阀在全丌状态下压损尽可能小，同时要求调节阀的阀碟阀杆连接可靠，在 各种运行状态下均应保持振动小，噪音低。 5 华北电力大学硕十学位论文 1 2 3 联合进汽阀 在实际应用中，有的汽轮机制造厂商将主汽阀与调节阀分丌，中间用连通管连 接，称为分体式阀门，有的则将主汽阀与调节阀合成一体制造，称为联合进汽阀。 上汽型1 2 5 m w 汽轮机就采用分体阀门，此外一些l0 0 m w 以下的小机组调节阀直 接安装在汽缸上，也就是主、调汽门分离。国产三缸三排汽2 0 0 m w 、国产引进优 化型3 0 0 m w 及国产亚临界6 0 0 m w 的高压进汽阀均采用主调联合汽阀。同- - n 造 厂商的不同机组也会采用不同的形式，并没有形成统一的看法。法国a l s t o m 公司认 为采用主、调汽阀分离可以提高机组的安全性，在紧急状态下可以可靠地切断汽源。 但a l s t o m 在其3 0 0 m w 等级的机组上仍然采用了联合汽阀【1 2 04 1 。其实二者各有利弊， 分体式主、调汽阀最大的优点在于从制造角度来看，制造工艺相对简单，另外安装 维护也比较方便。但是要增加额外的管路，电厂整体布置相对复杂，而且增加了额 外的损失。此外增加的连通管加大了余汽容积，在危急状态下关机时如果调节阀关 闭太快，可能会造成主汽阀重开。联合进汽阀则减小了气动损失和蒸汽容积，但阀 门的制造和安装工艺比较复杂。 图卜5 主汽阀和调节阀的阀体及其支架的侧视图 联合进汽阀也有多种形式。一种是主汽阀与调节阀各自拥有自己的阀座以及动 作机构，只是将两部分阀体合在一起。一般高压进汽阀采用这种联合方式。具体实 施方案很多，有一个主汽阀对一个调节阀的，例如西门子公司的联合进汽阀。也有 一个主汽阀对两个调节阀的，如图1 5 ，1 - 6 所示，国产三缸两排汽2 0 0 m w ，引进 6 华北电力人学硕士学位论文 型6 0 0 m w 等机组的高压联合进汽阀均属此列。本文研究对象属于此类。 还有1 个主汽阀对3 个调节阀的进汽阀，如图l 一7 所示，甚至有的将两个主汽 阀与4 个调节阀合成一个巨大的联合阀的。另一种是主汽阀和凋节阀不但公用阀体 而且公用阀座，中压进汽阀有时会采用这种方式。 图卜6 左侧主汽阀和调节阀的俯视图图卜7 高压联合进汽阀组装图 1 3 国内外研究现状 现代流体力学研究的手段不外乎三种：理论分析、实验研究、计算流体力学方 法。三者各有所长，相互配合，相互补充，相互促进，共同推进流体力学研究的发 展，解决各种工程实践问题。 理论分析方法在研究流体运动规律的基础上提出各种简化流动模型，建立各种 控制方程，给出了一系列解析解和计算方法，推动了流体力学的发展，奠定了计算 流体力学的基础。理论分析的最大优点是可以给出具有普遍性的信息，在一些较为 简单的情况下可得到封闭的、简单的公式。因此，可以用最小的代价给出规律性的 结果或变化趋势。理论分析的很多方法仍是当前解决实际问题常用的方法。但理论 分析方法常常无法应用于复杂的、以非线性为主的流动现象研究。 长期以来，实验研究一直是分析流动现象、研究流动机理、探讨并获得流动新 7 华北电力大学硕士学位论文 概念、推动流体力学发展的主要研究手段。许多理论或假设均是以实验研究为基础 的。实验研究的主要问题是：要实现一个完整的实验过程需要解决一系列复杂的技 术问题，所需周期长，费用高。而且实验研究受实验条件限制，无法进行某些理想 状态的实验，并不可避免地会存在观察死角和各种误差。还有一些现象是目前无法 进行实验研究的。 计算流体动力学( c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 以计算机作为模拟手 段，运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题的离散化数值解。数值解法是 一种离散近似的计算方法。它所能获得的不像解析解那样是被研究区域中未知量的 连续，而只是某些代表性的点( 称为节点) 上的近似值。电子计算机中的一切计算都 是通过加、减、乘、除四则运算来完成的。为了用计算机解出节点上未知量的近似 值，首先需要从给定的微分方程或基本物理定律出发，建立起关于这些节点上未知 量近似值之间的代数方程( 称为离散方程) ，然后对之进行求解。所以可以说通过 c f d 得到的是数值解而不是解析解，而且计算技术起关键作用，与计算机的发展紧 密相关。因此，c f d 可以看成是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、 能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟f 1 5 】。 理论分析具有普遍性，为实验研究和数值计算提供理论依据；实验研究得到的 结果真实可信，是理论分析和数值计算的基础；数值计算的方法正具有成本低及能 模拟较复杂或较理想的工况等优点，它可以拓宽实验研究的范围，减少实验的工作 量，可以说数值模拟是特殊意义下的实验，也称数值实验。数值实验是在理论分析 和实验研究的基础上发展起来的一种方法。它的发展取决于物理问题的数学提法正 确与否，并与计算机技术的发展直接相关，而且其结果可以与实验结果相互验证。 在所用的控制方程和计算方法的适用范围内，数值模拟手段能够给出流场细节，并 且可以方便地进行各种理想状态的数值实验，在比较广泛的参数范围内进行研究， 不但可用于研究已知的物理问题，还可用于发现一些新的物理现象，极大地推动了 实验研究和理论分析的发展。 随着电子计算机和c f d 的迅猛发展，c f d 数值模拟的优越性越来越明显，己 逐渐成为工程设计的一个很重要的辅助手段。c f d 作为一种工程研究和设计手段开 始于七十年代，由于受到计算机硬件和计算费用的制约，c f d 最初只是在核工业和 航空业中获得应用。随着计算机技术的飞跃发展，计算机成本的逐渐下降，性能不 断改进，在八十年代初期，c f d 己经引入汽车制造业和化工领域，但是它仍未能得 到广泛应用。所有涉及流体、热量、分子输运等现象相关的问题，都可以通过计算 流体力学的方法进行分析和模拟。只是在近十几年中，计算机的计算速度和存贮能 力已有大幅度提高，而计算机硬件成本反而急剧下降。很多工程技术人员都能够很 容易使用计算机工作台，从而在一般工程设计中得到广泛应用。c f d 已在很多专业 r 华北电力大学硕十学位论文 领域获得了广泛应用，从化工行业到飞机制造业，从汽车工业到环境科学，都有成 功应用c f d 的例子。发达国家在这类产品的研究开发中已运用数值模拟为主进行设 计方案预选，再以较少量试验来校核确定方案，基本上能做到避免带有盲目性的试 验。c f d 方法在产品设计中的应用使得产品的结构设计更趋于合理。有的研究者认 为数值模拟手段更接近于实验研究，近来还有的研究者认为数值模拟有取代实验研 究的趋势。近年来，国内已经较多地采用c f d 方法来模拟水轮机尾水管、柴油机进 气道、发动机冷却水、离心压气机流道、叶轮内部的流动、泵站进出水流道的流场 等，已被大量工程实践证明是有效和可靠的。在阀门行业中，c f d 数值模拟在电站 调节阀，液压锥阀、大口径环喷式流量调节阀、a t s 调节阀的设计及优化也得到应 用【1 8 艺1 1 。 汽轮机的进汽阀作为控制电厂安全高效运行的关键部件，与其相关的很多问题 一直是研究人员、汽轮机制造商和电厂所关注和研究的重点。由于汽轮机进汽阀结 构上的复杂性，使得理论研究、实验研究和数值模拟的难度都很大。对于进汽阀存 在的若干问题进行的研究很早就开始了。国外各大汽轮机制造厂商都曾采用实验方 法研究汽轮机进汽阀的流场，以提高阀门的工作可靠性。实验研究可以确定阀门的 升程流量关系，测定阀门的总体损失性能。但实验研究很难测量阀腔中复杂的流场 细节，也就不能确定损失在阀门内部的定量分布和损失产生的机理。由于阀腔几何 形状复杂，其内部流动是具有强烈的三维特征的粘性非定常流动，对其进行数值模 拟具有一定的难度。近年来，随着c f d 技术和计算机技术的飞速发展，以及对汽轮 机各部件气动效率的不断追求，对汽轮机进汽阀的数值研究逐步开展起来。 蒸汽从高压进汽阀进口到低压排汽缸出口的流动过程非常复杂，流动的总损失 与某个局部流场的流动损失密不可分。目前，包括阀门、排汽缸、缸体联结管道和 汽封等非叶片部件局部结构内的三维粘性流动越来越受到关注。c f d 技术已经在新 机组的设计和老机组的改造中发挥了重要作用，并显示出它在汽轮机内非定常流动 问题和复杂流动问题分析中的巨大潜力。借助新近的c f d 技术所设计的全三维叶片 已经可以将汽轮机的效率提高1 2 甚至更多【3 0 】。阀内复杂流动的关键性问题是压 力损失的准确估算。鉴于流动的复杂性，已有的考虑阀体内流动损失的方法是试验 测量或经验估计。风洞试验可以较准确地测量阀体内流动的压力损失，并且可以通 过改变阀门的形状和空间布置来保证低的压力损失，但是试验手段耗资大、周期长， 很难在阀门设计的初级阶段提出可供选择的大量方案。 国外采用c f d 方法研究阀门比较早。首先提出应用c f d 方法研究液压阀的是 b a t o l i 2 2 等人，他们在1 9 9 6 年用理论方法，数值方法和试验方法对调节阀进行了研 究，讨论了阀门的流动特性和滑阀行程中流动损失产生的位置。 9 华北电力大学硕士学位论文 蒸汽在汽轮机阀门内的流动要绕过阀体，阀门的进汽方向和出口方向不同，阀 体腔又常常是不对称的，因此，流场具有很强的三维性。西门子公司在1 9 9 7 年已 经丌始了这方面的数值模拟研究【2 引。 后来，针对蒸汽阀门内流动及其相关影响因素的研究较多。m b i e l e c k i t 2 4 】等 人用数值方法模拟了2 0 0 m w 机组调节阀中的非定常蒸汽流动及其对阀门变形的影 响。m a z u r 2 5 】等人对1 5 8 m w 机组截止阀内蒸汽一固体颗粒两相流进行了全三维数 值计算。a m i r a n t e 2 6 】等人对调节阀进行了试验研究和数值研究结果的对比，证实了 c f d 方法的可靠性【2 7 1 。b o r g h i 2 8 】等人也做了类似的工作。 浙江大学的袁新明【2 9 】用孔隙率定义流场空间，并采用了二维k 一占紊流模式和有 限体积法对w c b 型阀门阀道流场进行了模拟。通过阀门阀道的体型优化，寻求到 阻力系数和过水断面较小，合理的阀道体型。 中国科学院的王继宏f 3 0 】采用多分区s i m p l e c 算法对6 0 0 m w 汽轮机高压联合 进汽阀门内部复杂流动进行了三维粘性数值分析，采用的流动介质为一个大气压下 4 l 的空气，计算得到了流场特性为阀门结构优化设计提供了重要依据。 华北电力大学的彭震中【3 i 】采用结构分析有限元方法，对国产1 2 5 m w 汽轮机主 蒸汽调节阀阀体冷态、温态、热态启停工况进行了分析计算，估算了各态启动的阀 体寿命损耗，并提出阀门阀体有限元建模的有效方法。 西安交通大学的屠珊【3 2 。4 】等人近几年来通过理论分析、试验研究和数值模拟多 方位研究了汽轮机常用的g x 1 型调节阀阀内流动特性。他们通过在阀座喉部、阀 座渐扩段等阀体内各关键部位设置测点，利用微小型高频动态压力传感器及其采集 系统进行多工况和多方位的试验研究，同时利用有限差分方法进行三维可压缩湍流 数值模拟，证明了数值模拟的可靠性。 中国科学院的徐克鹏【3 5 】等人构造了一种1 3 g k 型二阶非结构化自适应算法，用 于求解e u l e r 方程。计算了若干一维问题标准算例和具有复杂流动现象的二维问题。 认为数值模拟能够反映阀门内部的真实流动。 王冬梅【3 6 】等采用二维模型模拟了高速蒸汽调节阀门内的蒸汽流场，并定性分析 了阀内不稳定流动特征。马会民等【3 7 , 3 8 针对某6 0 0 m w 亚临界机组主汽阀门和调节 阀组系统压力损失偏大等问题，通过数值模拟阀内流场揭示了调节阀门流道结构设 计上的不合理，并提出改变调节阀碟接触面以下的部分型线，以减少流动损失。 武汉大学的韩宁【3 9 l 从水力的角度对特大口径环喷式流量调节阀开展内部流动 分析的研究，对特定型号的射流泵和桁架式蝶阀进行了内部流场的数值模拟研究并 与实验数据相比较，验证了应用f l u e n t 进行数值模拟的可行性和可靠性，并从减 1 0 华北电力人学硕士学位论文 小过阀损失、减小涡量、预防汽蚀的角度，对其结构进行优化。 西安交通大学的相晓伟【4 0 1 对侧向无导流筋调节阀在全工况运行参数下进行了 三维流场特性的数值模拟，其研究结果表明，环形通道是主控通流能力、流动特性 和稳定性的关键部分，阀腔内是否加导流筋对阀门的后续流动特性影响不太明显。 上海交通大学的王炜哲等人【4 1 】对1 0 0 0 m w 超临界汽轮机主调阀系统( 主汽阀和 调节阀) 内的蒸汽流动和噪声辐射进行了全三维计算分析，求解了蒸汽流场内的噪 声源幅度分布。 目前对阀门管理的研究中应用c f d 方法的相关文献很少，大多以试验研究为 主。 田丰，邓少翔【4 2 1 等通过试验研究了3 0 0 m w 机组配汽机构阀切换特性，得出了 阀切换过程阀门行程的变化特性；研究了在不同配汽方式下机组胀差、汽缸金属温 度、高、中压缸排汽温度和振动特性等的差异。 赵永林【4 3 1 等人试验研究了调节阀无法由单阀切换为顺序阀运行的问题，提出了 优化调节阀开启顺序和调整阀门重叠度的改进方案。调节阀控制方式改为对角开启 顺序运行后，能够保障机组安全稳定运行，经济效益显著。 王晓峰】等人认为，d e h 调节系统的阀门管理提供了改善调节级特性的空间。 合适的调节阀重叠度能够提高调节级效率，合理的开启顺序可以减轻轴承载荷。 综上所述，目前国内学者或者运用c f d 方法研究调节阀的流动特性，或者试验 研究阀门管理的相关问题，但将两者结合起来进行研究的很少。 1 4 本文的工作 本课题以某6 0 0 m w 亚临界、中间再热凝汽式汽轮机组为研究对象，利用 f l u e n t 软件对其进汽阀内部流场进行数值模拟。进行了如下工作： ( 1 ) 对进汽阀全开工况下主汽阀和调节阀的内部流场进行了数值模拟，给出了 阀门内流动总压损、压损沿流程分布情况，以及调节阀门的流量分配。 ( 2 ) 分析了蒸汽在阀门中的流动特点及流动损失产生的机理，为迸一步研究阀 门的流场特性提供了参考。 ( 3 ) 对不同阀门管理方式下阀门内部流场进行了数值模拟，给出了机组不同阀 门管理方式时的流动压损，讨论了不同阀门管理方式对机组运行经济性的影响，对 阀门管理方式给出了指导性建议。 华北电力大学硕士学位论文 第二章c f d 理论基础及f l u e n t 软件 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是2 0 世纪6 0 年代起 伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展，这门学科己相当成熟。 c f d 软件是用来进行流场分析、计算、预测的专用工具。通过c f d 模拟，可以分 析并且显示流体流动过程中发生的现象，及时预测流体在模拟区域的流动性能，并 通过各种参数改变，得到相应过程的最佳设计参数。c f d 的数值模拟，能使我们更 加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省以往实验所需的人力、物力 和时间，并对实验结果整理和规律发现起到指导作用。随着计算机软硬件技术的发 展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动理论的商用c f d 软件。这使许 多不擅长c f ds e 作的其他专业研究人员能够轻松地进行流体数值计算，从而使研究 人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到研究问题的物理 本质、问题提法、边界( 初值) 条件和计算结果的合理解释等重要方面上，充分发挥 商用c f d 软件开发人员和其他专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工程问题 开辟了道路。 本文采用数值计算软件f l u e n t 对进汽阀内部流场进行数值模拟。f l u e n t 是 专业的流体计算软件，具有强大的流场计算功能。f l u e n t 软件针对各种复杂流动 的物理现象，采用适合于它的数值解法，以期在计算速度、稳定性和精度等各方面 达到最佳，从而高效率地解决各个领域的复杂流动的计算问题。 2 1f l u e n t 软件的基本程序结构 f l u e n t 软件包包括： ( 1 ) f l u e n t 解算器，用于进行流动模拟计算； ( 2 ) p r e p d f ，用于模拟p d f 燃烧过程的程序； ( 3 ) g a m b i t ，用于建立几何结构以及网格生成的预处理程序； ( 4 ) t g r i d ，可以从已有边界网格中生成体网格的附加前处理程序； ( 5 ) f i l t e r s ( t r a n s l a t o r s ) ，用于转换其它程序生成的网格，用于f l u e n t 计算， 即从c a d c a e 软件，如a n s y s ，i - d e a s ，n a t s r a n ，p a t r a n 等的文件中输入 面网格或者体网格。 图2 1 所示为以上各部分的组织结构。在利用f l u e n t 软件进行流体流动模拟 计算时，先利用g a m b i t 进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成， 1 2 华北电力人学硕士学位论文 并输出用于f l u e n t 求解器计算的格式，然后应用f l u e n t 求解器对流动区域进 行求解计算，并进行计算结果的后处理。 g e o m e t r yo f 图2 - 1f l u e n t 软件的基本程序结构 2 2f l u e n t 基本物理模型和计算方式 f l u e n t 提供了从不可压到可压、层流、湍流等很大范围模拟能力。 对于所有的流动，f l u e n t 都是解质量和动量守恒方程。对于包括热传导或可 压性的流动，需要解能量守恒的附加方程。 连续性方程： 譬+ 导妇；) ：s 。 8 ta x ：、“ m ( 2 1 ) 该方程是质量守恒方程的一般形式，它适用于可压流动和不可压流动。源项s 。 是从分散的二级相中加入到连续相的质量( 比方说由于液滴的蒸发) ，源项也可以 是任何的自定义源项。 在惯性( 非加速) 坐标系中i 方向上的动量守恒方程为： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 旦a t 沏f ) + 毒b 一) = 一考+ 鼍+ 昭，+ e c2 圳 其中，p 是静压，勺是应力张量，j o g ，和f 分别为f 方向上的重力体积力和外部 体积力( 如离散相相互作用产生的升力) ，e 包含了其它的模型相关源项，如多孔 介质和自定义源项。 应力张量 l = h 考+ 鼍) - 詈等岛 c 2 剐 f l u e n t 所解的能量方程的形式为： 昙恤) + 毒。，泗+ p ) ) = 乏( ka t - 一事_ 坞k o ) + 瓯 c 2 其中是有效热传导系数，j j 是组分的扩散流量。上面方程等号后的前三项 分别描述了热传导、组分扩散和粘性耗散带来的能量输运。瓯包括了化学反应热以 及其它用户定义的体积热源项。 f l u e n t 提供三种不同的解格式：( 隐式) 分离解，隐式耦合解，显式耦合解。 三种解法都可以在很大流动范围内提供准确的结果，但是它们也各有优缺点。分离 解和耦合解方法的区别在于，连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的解 的步骤不同，分离解是按顺序解，耦合解是同时解。两种解法都是最后解附加的标 量方程( 比如：湍流或辐射) 。隐式解法和显式解法的区别在于线化耦合方程的方 式不同。 分离解以前是用于不可压流和一般可压流的。而耦合方法最初是用来解高速可 压流的。现在，两种方法都适用于很大范围的流动( 从不可压到高速可压) ，但是 计算高速可压流时耦合格式比分离格式更合适。f l u e n t 默认使用分离解算器，但 是对于高速可压流，强体积力导致的强烈耦合流动( 比如浮力或者旋转力) ，或者 在非常精细的网格上的流动，就需要考虑隐式解法。这一解法耦合了流动和能量方 程，常常很快便可以收敛。耦合隐式解所需要内存大约是分离解的1 5 到2 倍，选 择时可以通过这一性能来权衡利弊。在需要隐式耦合解的时候，如果计算机的内存 不够就可以采用分离解或者耦合显式解。耦合显式解虽然也耦合了流动和能量方 程，但是它还是比耦合隐式解需要的内存少，但它的收敛性相应的也就差一些。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 f l u e n t 可以选择每一个控制方程的对流项的离散格式，一阶离散一般会比二 阶离散收敛得好，计算稳定性好，但是耗散性很大，精度要差，尤其是对于三角形 或者四面体网格精度更差，对流场中梯度比较大区域内的解有比较严重的“抹平”现 象。因此为了获得精度更高的结果，可以采用二阶精度格式。因为二阶精度格式的 稳定性不如一阶精度，所以在采用二阶精度格式的时候要适当减小亚松弛因子，如 果使用二阶格式遇到收敛性问题，应该尝试使用一阶格式。 2 3f l u e n t 中的网格 2 3 1 网格的种类 流场仿真采用的网格类型主要有两种：结构网格和非结构网格。结构网格的最 大特点在于网格有规律，具有结构简单，构造方便，容易计算，占内存小等优点； 缺点也因此非常明显，对复杂几何形状的适应能力差。非结构网格舍去了网格节点 的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形状及节点位置，灵活性好，对复杂外 形的适应能力强，但其无规则性也导致了在模拟计算中存储空间增大，寻址时间增 长，计算效率低于结构化网格，计算时间长等缺点。 二维单元类型( 2 dc e i it y p e ) 口 三角形( t r i a n g l e ) 四边形( q u a d r i l a t e r a l ) 三维单元类型( 3 dc e l lt y p e s ) 钐国矽 四面体 ( t e t r a h e d r o n ) 六面体棱柱形楔形 ( h e x a h e d r o n ) ( p r i s m w e d g e ) 图2 - 2 单元类型 1 5 金字塔 ( p y r a m i d ) 华北电力火学硕士学位论文 网格的选择对于c f d 计算一直是关键的问题，它对于计算问题的精度和稳定性 都有重要的影响。对于简单的几何形状，采用结构化网格就可以满足需要，但对于 复杂的几何形状，必须采用非结构化网格。在f l u e n t 软件中，网格可以有多种 形状，比如对于二维流动，可以生成三角形和四边形网格或混合单元组成的网格； 对于三维流动，可以生成四面体、六面体、金字塔以及楔形网格( 如图2 2 ) ，或 者两种单元的混合，而在实际计算中也可容易控制网格的数量。并且f l u e n t 软件 具有自适应功能，对网格能够进行细分或粗化，并能生成不连续网格、变形网格和 滑动网格。 2 3 2 网格类型的选择及划分 网格的选择依赖于具体的问题，在选择网格的时候，应该考虑初始化的时间、 计算花费和数值耗散。 ( 1 ) 初始化的时间 很多实际问题是具有复杂几何外形的，对于这些问题采用结构网格或块结构网 格可能要花费大量的时间，甚至根本无法得到结构网格。复杂几何外形初始化时间 的限制刺激了人们在非结构网格中使用三角形网格和四面体网格。然而，如果几何 外形并不复杂的话，两种方法所耗费的时间没有明显差别。 ( 2 ) 计算花费 当几何外形太复杂或者流动的长度尺度太大时，三角形网格和四面体网格所生 成的单元会比等量的包含四边形网格和六面体网格的单元少得多。这是因为三角形 网格和四面体网格允许单元聚集在流域的所选区域，而四边形网格和六面体网格会 在不需要加密的地方产生单元。非结构的四边形网格和六面体网格为一般复杂外形 提供了许多三角形和四面体网格的优点。 四边形和六面体单元的一个特点就是它们在某些情况下可以允许比三角形四 面体单元更大的比率。三角形四面体单元的大比率总会影响单元的歪斜。因此，在 几何外形相对简单，而且流动和几何外形很符合的情况下，比如长管，就可以使用 大比率的四边形和六面体单元。这种网格可能会比三角形四面体网格少很多单元。 ( 3 ) 数值耗散 多维条件下主要的误差来源就是数值耗散，又被称为虚假耗散( 之所以被称为 虚假的，是因为耗散并不是真实现象，而是它和真实耗散系数影响流动的方式很类 似) 。 关于数值耗散有如下几点：当真实耗散很小时，即对流占主导地位