兩種調節汽閥流動分析和結構比較

[摘 要] 使用了流動分析軟件對A、B兩種雙座調閥進行了通流分析，給出了調閥通流能力和實際流動狀態，在分析流動特性對閥桿振動摩擦的影響基礎上，得出了以下結論：B型調閥結構流動損失較大，流動效率低于A型調閥；兩種調閥受到旋轉力矩較小，但因氣流沖擊導致旋轉，結構中應增加閥桿防轉機制；A型和B型調閥的閥桿懸臂結構容易在氣流力作用下產生偏向磨損，B型調閥比A型更能抗擊側向激振。

[關 鍵 詞] 調節汽閥；流動汽閥；通流分析

[中圖分類號] G718 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）02-0045-03

一、概述

進汽調節閥門是汽輪機工況調節的一個重要的組成部分，主要作用是調節汽輪機進汽流量以達到控制汽輪機運行的目的。進汽調閥必須滿足一些基本的要求：可通過閥桿行程調節閥門通流截面，以控制流量；調閥阻力特別是全開時，阻力要小，以提高汽輪機效率；控制調閥開啟時可根據所受到的蒸汽壓力，以選擇合適的伺服器；必要時，閥門應能保證關閉全部進汽道。

一般來說，以上四點是調閥設計必須考慮的問題，但有的時候也需要在不能完全滿足四個要求時，通過取舍決定適合實際運行的設計。

某汽輪機進汽調節閥門在運行過程中某調閥（后稱A型）磨損嚴重，因此采用了另外一種改型調閥的形式，后文稱B型調閥。本文將通過A、B兩種調閥的通流分析，給出了一定條件下的調閥內部流動的結果，并分析比較兩種調閥通流的差異之處。

二、結構模型及邊界條件

兩種調閥均為雙座單閥結構，A型調閥上座是碟型，下座為筒型。而B型調閥上座是筒形，下座也為筒形，不過下座改進有一個小平底作密封用。計算時A型調閥模型是直接從三維調閥模型中提取出來，并增加了進口段和出口段。兩種調閥網格模型網格數規模下，網格經過無關性驗證。

進汽結構閥門是由閥門通流截面積來決定通過的流量，由于不同形式的閥座的面積和結構的不同，因此只能通過幾何數據，計算出行程與調閥截面積（喉部面積）之間的關系。通過曲面擬合給出了調閥截面積曲線擬合公式，并用擬合公式給出調閥升程與調閥截面積之間的曲線關系，如圖1所示。

圖1顯示兩個調閥升程與閥口面積大體上呈線性關系，這是因為A型調閥上閥座為蝶閥，曲線斜度較小，面積變化較為緩慢。B型調閥主體部分基本呈線性，這個與筒型閥座的特性相符合。為了比較兩個調閥的通流性能，引入了開度的概念。

定義開度為以調閥升程為基準的無量綱參數。其公式為調閥的升程除以最大升程，取值在0到1之間。B型的調閥開啟截面積與A型調閥的截面積相同時，開度相同。故圖中閥門面積相同的橫向直線開度相等。圖1給出了計算所用的0.1～0.5的5個開度曲線。

同時也要指出，由于通流計算邊界條件的給定一般需要進出口壓力或者其中一側為流量。通過計算和實際結合，給出了A型調閥在升程50%左右（即開度為0.5的條件下，達到實際運行最大流量附近）壓力損失為10.8%。根據閥口開啟壓力的一般曲線形式，考慮用拋物線公式模擬閥口開啟時的壓力變化。在開度相同的條件下，可認為最小截面積相同，則閥門前后壓力也相同。同時在閥口未開啟條件下，閥后壓力認為與排氣壓力相同。同時，給定

進汽壓力條件，入口總壓為3.7MPa，溫度為390℃，并給定內壁面均為絕熱，且粗糙度為0.025mm。用CFX軟件分析，采用高階精度流動格式，一階湍流數值格式，和K-ε兩方程湍流模型。

三、結果分析

兩個調閥在相同截面和相同壓差條件下，得到圖2的流量結果。圖2顯示A型調閥的流量均比相同條件下B型調閥要大。而且隨著開度越來越大。兩個閥門結構不太一樣，B型上下閥門均是筒式，進汽口子為圓周切出三個口子。在相同截面積條件下，流量依然與A型調閥有不少差距。因此，B型形式的調閥的流動損失較大，通過能力較弱，對于進汽效率較為不利。

為了更好地表示其流動的計算結果，結果展示重要的截面提取通過調閥中心線的豎直截面。以下結果比較的是0.5開度條件下的計算結果。圖3和圖4給出了開度0.5條件下的該截面上的壓力分布云圖。

截面上的壓力分布顯示，A型調閥壓力分布較為均勻，隨著氣流進入閥門壓力變化較為緩和。而B型調閥的壓力變化更加劇烈，特別是閥口部分，出現了壓力低于排氣壓力的區域，證明由于流過閥口噴嘴可能造成附近真空現象。

圖5和圖6給出了0.5開度條件下截面上的速度流線分布。可以看到兩個閥門的流動形式有很大程度的不同。A型調閥的下閥左側進入的蒸汽向上直噴，直到閥門上壁位置才分散卷積到不同位置，并與上閥進入蒸汽混合。上閥蒸汽沿著閥口流線型邊界進入閥體，而后與下閥氣流發生混合。而B型的下閥氣流則直接沖向側壁面，而后在側壁面分成上下兩支，上分支與上閥蒸汽發生混合流動，并伴隨有多個渦流。從圖中右側出口段的渦流看出兩種調閥蒸汽在出口段上下并不均勻。A型的主流流體已經集中在出口段中部位置，管道上下均出現了一定的回流。B型調閥出口段蒸汽明顯是下部較為集中，流動還不是很穩定。從整體的渦流數量和流動形態中看出，A型的渦流范圍大，流動較為穩定，通過流量較大，而B型閥口渦流較多，流動更加混亂，造成流動損失較大。從流動角度講，上下閥座均為筒型的B型的調閥三口進入的氣流相互沖擊造成很大的混合損失，較為不利。

由于A型調閥在實際中磨損較為嚴重，考查調閥閥桿和閥碟部分力矩狀況。圖7給出了兩個調閥所受的旋轉力矩，其中兩個調閥所受的旋轉力矩均是上下震蕩形式，證明在開度變化條件下，調閥由氣流摩擦沖擊造成的旋轉方向是不同的。其次，該旋轉力矩數量級在0.1N·m左右。A型調閥上部大部分閥桿沒有約束，與閥桿套之間也是油潤滑，摩擦力也很小，故也可能在變工況時發生轉動。所以建議增加防轉結構機制。

閥碟與閥桿是上部連接，而下部懸空，可認為懸臂梁結構，只有一端與閥殼接觸。對于懸臂梁結構來說，遠端容易出現梁側偏。而筒型閥座本身與閥碟之間存在一定間隙，所以容易出現單側接觸。如果汽輪機運行工況發生變動，接觸區域也會出現旋轉摩擦。

從結構上說，A型調閥的閥桿力臂較長，產生的力矩會比較大，磨損更容易發生。如進行改進，閥桿上下均需要有約束，這樣對于上下閥碟來說力臂將縮短。故建議采用閥桿貫穿上下閥蓋，在上下閥蓋處均有約束的結構，減少磨損，增加調閥穩定性。

四、結論

本文使用了流動分析軟件對兩種雙座調閥進行了通流分析，給出了調閥的蒸汽流動結果和對調閥的沖擊影響。得出了以下結論：

1.B型調閥結構流動損失較大，流動效率低于A型調閥。

2.兩種調閥受到旋轉力矩較小，但因氣流沖擊導致旋轉，結構中應增加閥桿防轉機制。

3.A型和B型調閥的閥桿懸臂結構容易在氣流力作用下產生偏向磨損，B型調閥比A型調閥更能抗擊側向激振。

參考文獻：

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