汽輪機擴壓調節閥的流體力學研究

崔增娥

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

汽輪機擴壓調節閥的流體力學研究

崔增娥

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

對于汽輪機而言調節閥是非常重要的組成部分，文中對擴壓調節閥進行詳細的流體力學分析研究，得出不同類型擴壓調節閥的使用范圍。

汽輪機；擴壓調節閥；損失系數；提升力

0 引言

汽輪機的啟停和變功率是通過調節閥開度的變化，從而改變進入汽輪機的蒸汽流量或蒸汽參數來實現的。作為汽輪機進汽機構的重要組成部分，調節閥氣動性能的好壞對整個機組的經濟性產生直接影響。另外，調節閥中閥體的振動現象也存在于實際的運行中，曾經發生類似閥桿振動、閥桿斷裂、閥座拔起等事故［1－2］，直接影響機組的安全工作。造成閥體振動的主要原因是調節閥內汽流流動的不穩定［3］，而汽流流動的不穩定與流動的邊界有密切關系。

因此，無論是從經濟性還是安全性來考慮，研究和分析調節閥的內部流場，優化其氣動性能，減小流動損失和穩定汽流，提高調節閥的流動效率和安全性，最終設計出汽動性能良好的調節閥具有重要的工程實際意義。

本文將對擴壓調節閥的特性進行流體力學研究分析，以便從中掌握其優點和最佳范圍。

1 研究方法

本文專門針對有、無擴壓器的圓型入口進行流體力學和提升力的研究。

在研究中采用損失系數ζ來表征阻力，

式中：△P1-2為調節閥前后的壓力差；CF0為最小截面上的平均速度；P0為調節閥最窄截面上的絕對壓力。

這是對于擴壓器最小截面而言的，將最小截面上的平均速度CFo=G·vo/Fo，帶入上式后得

式中：F0為最小截面積；vo為最小截面上的比容；G為流過閥的流量。

當閥門全開時，也就是在擴壓器喉部截面上流動速度比較小時若采用ζ的定義，用調節閥前的比容v1代替vo不會產生很大的誤差。在沒有擴壓器的閥中ζ＞1，而在具有擴壓器的閥中ζ＜1。所以損失系數必須是對出口截面F2而言的，可以用v1代替調節閥后的比容v2：

式中：ζ′為對于出口直徑而言的損失系數；F2為出口截面積。

損失系數ζ′一方面與構造式樣有關，另一方面取決于流動參數（臨界馬赫數、雷諾數）。

在閥中，提升力是升程的函數，對于任意的升程0≤H≤∞，提升力可以表示為

式中：ξ為在確定升程H時的力的系數；Fsi為主閥錐閥座截面積；P1為調節閥前的絕對壓力；PG為關閉閥時的絕對出口壓力；Psp為閥桿提升力。式中ξ值必須根據試驗決定。該方程式對沒有卸載和有卸載的閥均可適用。當系數ξ已知時，對于任意大小和幾何相似的閥，在任意的閥前壓力P1和背閥出口壓力PG下，其提升力的變化均可被確定。

沒有卸載的閥，當零點升程時ξ=1，在有卸載時，最大提升力產生在中間升程H*時，此時ξmax＜1。（1-ξmax）代表卸載度，用它可以確定在與尺寸相同而沒有卸載閥的相反情況下必須使用的最大提升力（在閥桿直徑Dsp=0時）。

2 研究描述

2.1 流動研究

本文研究的閥是圓型入口型面輪廓，具有擴壓器相對長度（其中LD是擴壓管長、D0是最窄直徑）LD/D0=0～8，且相應擴壓器面積比為F2/F0=1～8，擴壓器的擴壓角設計成 2θ=6°～14°。雷諾數在 10×105～25×105的范圍內不能確定損失系數ζ或者ζ′與雷諾數之間的關系，但可表征臨界馬赫數的影響。

圖1給出了兩種不同流入口型面輪廓的損失系數ζ′與臨界馬赫數之間的關系曲線。在高的臨界馬赫數范圍內可見ζ′的曲線上升。在運行時，馬赫數M*a=0.2～0.3，所以在調節閥設計計算時，這種影響不必考慮。

從圖1也可以看到流入口輪廓C的損失要小10%左右，但由于它有較大的密封面積，其最大提升力必須增大50%左右。由此估計密閉角小于45°，當密閉角小于45°時，閥桿有卡住的危險。鑒于最大提升力小，因此形式A被認為是最合適的，同時在后面連接一段短的均衡段后可以使氣流速度分布均勻地進入擴壓器。

圖2給出了在不同擴壓角下損失系數ζ′與擴壓器面積比F2/F0的關系曲線。圖中的數值是相應于馬赫數M※a=0.25，但對于=0.2～0.3范圍內也可以使用，且沒有很大的誤差。最有利的擴壓角是2θ=8°，對于全開的閥所需要的最佳升程值是H/D0=0.33。

圖2 擴壓角2θ和面積比F2/F0對損失系數ζ′的影響（=0.25，A的流入口型線）

2.2 力的研究、流量特性曲線

圖3 沒有卸載擴壓閥的力系數ξ變化過程（形式A 的流入口，2θ=12°，F2/F0=2.63，mD=0.43）

力的系數ξ變化過程與比值mD（閥后噴管面積FD與閥的截面積F0之比，即mD=FD/F0）有關。圖3給出了沒有卸載擴壓閥的ξ變化過程，該曲線是在壓比P1/PG=10～3和最窄直徑P1/PG=10～3和D0=30～60 mm的多次測量中得來的。對于大的mD比值曲線在圖示的曲線之上；對于小的mD比值曲線在圖示的曲線之下；對于mD=0的，ξ變化過程與坐標軸重合。

圖4給出的是具有卸載擴壓閥的ξ變化過程曲線。對于H/D=0，ξ0是由預啟閥閥座處的截面與主閥閥座截面的比值來確定，即

其中：dsi為預啟閥錐閥座直徑，Dsi為主閥錐閥座直徑，Fsi為主閥錐閥座截面積，fsi為預啟閥錐閥座截面積。

圖4 卸載擴壓閥的力系數ξ的變化過程（形式A的單流入口，2θ=12°，F2/F0=2.63，mD=0.43）

當閥桿直徑很小時，其最大的數值ξmax在H/D=0.22時約為0.6，即卸載系數1-ξmax=40%。

3 結論

1）從流體力學的觀點看，最有利的閥是具有圓型流入口輪廓的閥門。

2）最有利的沒有卸載擴壓閥的是形式A，流入口輪廓擴壓角2θ=12°，具有半球形閥錐和面積比F2/F0=1.43～3.77，最大升程 H/D0=0.33。

3）沒有卸載的擴壓閥較易制造，不需要復雜的進汽室，此外還能保持很好的密封。

4）具有銳棱流入口的閥，由于流體力學和力的不良特性，應該避免采用。

5）在沒有卸載的擴壓閥上，若最大的力達到不允許的數值，必須采用卸載的擴壓閥。

［1］鄭紹臣，高福升.汽輪機調速汽門閥桿斷裂原因及結構改進［J］.中國電力，1996，29（10）：63-65.

［2］李祥苓，林西奎，寒奎政，等.國產300MW機組高調節汽門閥桿斷裂事故分析［J］.中國電力，2002，35（10）：21-24.

［3］毛靖儒，屠刪，劉全恩，等.汽輪機調節閥內流動特性的試驗研究［J］.工程熱物理學報，2002，23（10）：687-690.

（編輯 昊 天）

TK264

B

1002-2333（2015）06-0238-02

崔增娥（1976—），女，工程師，工程碩士，主要研究方向為汽輪機設計及電站系統設計。

2014-10-30