某船用汽輪機調節閥箱數值模擬

龔慶慶

[摘要]船用汽輪機功率調節主要是依靠調節進入汽輪機進口噴嘴的蒸氣流量來實現的，而汽輪機進口噴嘴的流量又取決于安裝在汽輪機進口處的調節閥箱。可以說，調節閥箱是船用汽輪機功率調節不可或缺的重要組成部分。本文主要針對某一船用汽輪機調節閣箱，采用ANSYS商業軟件包中的ICEM網格生成器生成非結構化計算網格，并利用ANSYS商業軟件包中的CF～求解器進行求解計算。通過數值計算得到了某船用調節閥箱內部的三維流場。在此基礎上對調節閥箱內部損失機理進行了詳細分析并提出了改進建議。

[關鍵詞]船用汽輪機；調節閥箱；數值模擬

船用汽輪機調節閥是船用汽輪機的重要組成部分，其內部流動比較復雜，損失也比較大，近年來也受到了各界學者的關注。德國SiemensKWU公司對汽輪機調節閥進行了大量研究，在汽輪機調節閥氣動性能優化改進方面積累了非常有益的經驗。美國GE公司也對汽輪機調節閥進行了應用研究，并自主開發了調節閥專用計算軟件NOVAK3D。在此基礎上，對進汽調節閥采用相應的改進方案使得調節閥總壓損失降低30%，取得了良好效果。國內上海交通大學黃慶華對某電站汽輪機的主蒸氣調節閥門進行了數值模擬研究，選取了主蒸氣閥門幾個關鍵的幾何結構參數來考察閥門氣動性能影響的音速，并據此對閥門通流結構進行了優化設計，取得了一定成效。西安交通大學李思琦對艦用汽輪機的進汽調節閥箱進行了大量研究。在整個研究過程中，采用“空度”的概念來處理調節閥箱內部的閥碟和閥桿等固體區域，計算采用PHOENICS流體計算軟件，得到了調節閥箱內部流場詳細情況。將數值結果與試驗結果進行對比之后發現，兩者吻合較好。中國科學院工程熱物理研究所徐克鵬等人對某電站汽輪機的主蒸氣調節閥進行了數值模擬和相應的試驗研究，詳細地分析了調節閥內部的流場結構和流動損失機理。大連理工大學周子筠采用商業軟件STAR-CD對某電站輔助汽輪機頭部（包含主蒸氣閥、蒸氣調節閥和進口調節級在內等結構1進行了數值研究，詳細分析了汽輪機頭部的內部流場及損失情況，并在此基礎上提出了汽輪機頭部優化改進的方法和建議。由于船用汽輪機調節閥箱結構復雜，國外對船用調節閥的研究工作到目前為止主要是由各汽輪機生產廠獨立進行，國內的研究則主要集中在電站汽輪機，在船用汽輪機調節閥方面的研究相對較少。

1計算模型

1.1幾何模型

船用調節閥箱往往由若干個調節閥組成，反過來這些調節閥通過螺栓連接并固定安裝在調節閥箱內。艦船汽輪機調節閥箱通常安裝在高壓缸高壓汽輪機第一級前和低壓缸倒車汽輪機級第一級前。

圖1為某船用汽輪機調節閥箱幾何結構示意圖。從圖中可以看到，某船用調節閥箱具有+調節閥，分別對應三個調節閥出口，分別為Ⅰ號調節閥出口、Ⅱ號調節閥出口和Ⅲ號調節閥出口。

這三個調節閥分別控制不同的汽輪機進口噴嘴弧段。艦船汽輪機就是通過這三個調節閥來控制流入汽輪機的流量，從而實現噴嘴調節。該調節閥箱兩側為蒸氣入口，中間三個孔為三個調節閥閥芯安裝孔位。在調節閥箱兩側還有連個對稱的調節閥進口，分別為1號進口和2號進口。

由于船用汽輪機工作工況的不同，對應調節閥箱各個閥門開度也是不同的。本文主要選擇船用汽輪機額定工況即閥箱調節閥全開狀態來進行分析和計算。

1.2網格模型

圖2為某船用調節閥箱計算模型。為了能讓湍流充分發展以及使調節閥出口氣流達到穩定，調節閥箱三個出口段截取長度相對較長。同時在三個調節閥閥芯位置有三個孔，這是閥芯的固體區域，在數值計算時是沒有流體通過的。

圖4為調節閥箱網格模型。網格生成采用ANSYS/ICEM商業軟件，最終生成的網格節點總數為170萬左右，網格單元總數為644萬左右。由于船用調節閥箱幾何結構比較復雜，為了能使網格快速生成，主流區域采用了四面體非結構化網格。圖5和圖6為固體壁面附近網格，固體壁面附近網格采用棱柱體化網格，近壁面網格層數為6層。

2數值方法

2.1控制方程

計算采用ANSYS/CFX商用軟件。ANSYS/CFX是基于有限體積法采用全隱式網格耦合求解技術，具有較好的穩定性。

在ANSYS商業軟件CFX求解器中，在絕對坐標系下，微分形式的連續、動量和能量方程分別為：

式中：T₀=273.15K；μ₀為1個標準大氣壓下0℃時氣體的動力粘性系數；T_s為薩瑟蘭常數，與氣體性質有關。

考慮微分形式的連續、動量和能量方程，對一個明確的控制體進行積分，便可得到積分形式的連續、動量和能量方程：

式中：V表示控制體的體積；S表示控制體的表面積；dn_j表示垂直控制體表面并指向外側的法向量。

2.2湍流模型

CFX求解器提供的渦粘湍流模型有：k-ε、RNGk-ε、k-ω、BSL k-ω和SSTk-ω等湍流模型。本文采用的湍流模型為RNGk-ε湍流模型。

RNGk-ε湍流模型與標準k-ε湍流模型相似。在RNG k-ε湍流模型中，主要是通過在大尺度運動和修正后的粘性項中來反應小尺度的影響，這可以系統地從控制方程中去掉小尺度運動。所得到的RNGk-ε湍流模型的k方程和ε方程如下：

其中，16

當Reynolds數Re_y≥2000時，采用上述RNG k-ε湍流模型中的k和ε方程來求解：當Reynolds數Re_y<2000時，則使用Woffshtein一方程模型來近似求解近壁區的湍流流動，其中動量方程和湍動能k方程仍使用上述RNGk-ε湍流模型中計算式，但是湍流動力粘性系數和湍流的耗散率需使用如下公式計算：

反映壁面對湍流的影響的長度尺度參數l_μ、l_e可使用如下計算公式：

2.3邊界條件

本文計算主要采用的邊界條件如下：

人口邊界：進口給定來自鍋爐的新鮮蒸氣的總溫總壓，氣流速度方向垂直于進口平面。

出口邊界：給定各個閥門出口的質量流量；

固體壁面：網格無滑移，絕熱壁面。

計算工質：采用理想蒸氣。

各個調節閥開度是固定的，并且是全開狀態。

3數值分析

3.1流動分析

計算得到的某船用汽輪機調節閥內的三維流線圖如圖7所示。從圖中可以看到，Ⅲ號調節閥較大，通過的流體較多，其它兩個調節閥較小，流過的流體較少，并目氣流在通過各個調節閥時產生了旋流。從流動速度上看，主要流動區域的蒸氣氣流動速度并不是很大，大約在100m/s左右。氣流速度較大的區域主要集中在調節閥閥碟位置處，最大速度達到了750m/s，并沒有形成激波或達到臨界。這是因為閥碟在此處位置閥門開度較小，形成了節流作用，使得氣流通過的截面積下降，從而導致氣流內能（氣流為從鍋爐出來的新鮮蒸氣，具有較高的壓力和溫度）轉化為動能，速度急劇上升，結果是流體沿著閥碟下部通道噴射而出。這就使得流場分布十分不均勻，使得調節閥箱產生了較大的節流損失。從圖中流線的分布可以看到，主要損失有三部分：一是。氣流通過各個閥門的節流損失；二是。氣流繞過Ⅰ號和Ⅱ號調節閥閥芯的阻力損失；三是，從兩人口進來的氣流在Ⅲ號調節閥閥芯位置產生的氣流摻混損失。總的來說，這三部分損失大小可以估計為：節流損失>摻混損失>繞流損失。

圖8為Ⅰ號和Ⅱ號調節閥內部流線局部放大圖。從圖中可以看到，Ⅰ號和Ⅱ號調節閥流動主要是繞流，氣流繞過Ⅰ號和Ⅱ號調節閥進入到Ⅲ號調節閥，而直接通過Ⅰ號和Ⅱ號調節閥進入到汽輪機的流體較少，其主要原因也是Ⅰ號和Ⅱ號調節閥閥體直徑小，節流作用大。圖9為Ⅲ號調節閥內部流線局部放大圖。從圖中可以看到，來自兩側Ⅰ號和Ⅱ號調節閥的繞流，在Ⅲ號調節閥位置匯合并摻混，最后一并進入到Ⅲ號調節閥。從圖中可以看到，來自I號和Ⅱ號調節閥的繞流，在Ⅲ號調節閥位置處有分界但不明顯，流線又比較雜亂，由此不難推斷此處有較大的摻混損失。

從整體上看，很明顯Ⅰ號和Ⅱ號調節閥的節流作用要大于Ⅲ號調節閥，同時還可以看到，氣流在流經Ⅰ號和Ⅱ號調節閥時有明顯的偏轉作用。氣流速度最大的位置主要在閥座位置處，原因是閥座是整個調節閥喉道面積最小的區域。

圖10為Ⅰ號和Ⅱ號調節閥水平中分面流線圖。從圖中可以明顯看-到氣流繞過Ⅰ號和Ⅱ號調節閥閥芯，當氣流達到閥芯兩側頂點（+90°）附近就離開了壁面，并且分離后的流體在閥芯下游形成了近似對稱的固定不動的漩渦（又稱附著渦）。圖11為Ⅲ號調節閥水平中分面流線圖。來自Ⅰ號和Ⅱ號調節閥的繞流在Ⅲ號調節閥位置發生碰撞，形成了明顯的交界面。碰撞后的氣流也沒有立即摻混，而是折返形成了兩對互不交融的漩渦，經過旋流最后才摻混到一起進入Ⅲ號調節閥。

3，2壓力損失

調節閥箱垂直中分面總壓分布云圖如圖12所示。從圖中可以看到，三個調節閥經過強烈的節流之后，閥門出口前后產生了較大的壓差。其中Ⅰ號和Ⅱ號調節閥節流損失較大，Ⅲ號調節閥節流損失相對小一些，這和前面的分析是一致的。根據計算，Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號調節閥的進、出口的壓差分別為1.94MPa、2.02MPa、1.18MPa。

調節閥總壓損失系數的定義公式為：

式中：p_tol，in表示調節閥箱進口處的總壓，單位為Pa；p_tol表示調節閥箱某測點處的總壓，單位為Pa；ρ_in表示調節閥箱進口處的氣流密度，單位為kg/m³；V表示調節閥箱進口處的氣流速度，單位為m/s。

圖13為調節閥箱總壓損失系數分布圖。圖14為Ⅰ號和Ⅱ號調節閥總壓損失系數分布局部放大圖。圖15為Ⅲ號調節閥總壓損失系數分布局部放大圖。從圖中可以清晰地看到，調節閥最大總壓損失發生的地方在I號和Ⅱ號調節閥閥碟下方，總壓損失系數達0.84，主要為節流損失。而閥箱的沿程阻力損失僅1.5×10^-4。氣流通過閥座喉部進入出口段，在很長一段距離內還發生了明顯的摻混，有很長的“彗尾”，表現為總壓損失系數由不均勻逐漸變為均勻，這和圖7閥箱內流線圖所觀察到的結果是一致的。

調節閥箱垂直中分面總溫分布云圖如圖16所示。從圖中可以看到，盡管高溫高壓蒸氣經過各個調節閥節流后，總溫并沒有下降。這表明蒸氣的內能和比焓并沒有因為各調節閥的節流而改變。各調節閥節流對蒸氣影響最大的是壓力。

3.3速度損失

圖17為Ⅰ號和Ⅱ號調節閥喉部位置馬赫數分布云圖。從圖中可以看到，氣流在經過調節閥的節流后，馬赫數由0.1變化到1.043，但很快又降到亞音速以下，并回落至0.1左右。在較短的流程內流動速度變化比較劇烈。盡管氣流在閥座喉部附件發生了局部超音速，但通道內沒有發生激波。從速度云圖上可以看到，從喉部出來的蒸氣流體主要匯聚于閥碟下部區域，并沒有立即充滿整個流道，而是產生了回流區，形成了“空穴”流動。

圖18為Ⅲ號調節閥喉部位置馬赫數分布云圖。從圖中可以看到，氣流在經過調節閥的節流后，氣流馬赫數由0.1上升到1.173左右。和I號、Ⅱ號調節閥—樣，速度很陜又回落到0.1馬赫數左右。在喉部位置區域，存在局部超音速流動，但沒有出現激波。和Ⅰ號、Ⅱ號調節閥相反，從Ⅲ號調節閥喉部出來的流體并沒有匯聚于閥碟下部區域，而是緊貼出口段壁面。在閥碟下部中間區域，可以明顯看到被低速流體占據，并且在較大范圍內存在回流，形成很大的“空穴”。

4結論

1）船用汽輪機調節閥箱內的損失主要包括局部阻力損失、沿程損失、摻混損失以及調節閥節流損失。其中沿程損失較小，可以忽略不計。由于閥芯較小，局部阻力損失也不大。在閥芯與閥座共同決定的喉部區域，調節閥的節流損失較大。由于調節閥箱設置了兩個人口，在蒸氣流人Ⅲ號調節閥時，還產生了摻混損失。

2）閥碟和閥座形成的喉部區域是船用汽輪機調節閥箱內部總壓損失主要發生位置，此處各調節閥處于強烈的節流狀態。蒸氣通過調節閥后，由于受到節流作用，總壓出現了明顯的下降，但由于節流前后內能不變，總溫和比焓保持不變。

3）蒸氣快速流過調節閥喉部后，匯集在靠近閥座壁面的區域或出口段壁面處，這樣就在出口段形成了較大的回流區，產生了氣流“空穴”。對于這樣的問題，可以考慮采用實體部分來填充空“穴區”區域的辦法來消除“空穴”區對閥門激振等不利影響。

[責任編輯：楊玉潔]