汽輪機速關閥不同開度下的流動特性數值研究

2013-09-03 龐可河南省電力勘測設計院

　　本文應用商業CFD軟件Fluent對某型汽輪機速關閥不同閥開度下的二維流場特征進行了數值模擬，給出了通流部分流場的總壓、流線及馬赫數的分布情況。數值模擬結果表明，在大開度情況下，閥體內部馬赫數較低，損失較小;開度較小時閥座與閥碟之間的喉部將出現激波和超音流動，從而帶來較大的損失。

　　汽輪機速關閥也稱為主汽門，由閥門本體和油動機兩部分組成，它是主蒸汽管路與汽輪機之間的主要關閉機構，在緊急狀態時能立即截斷汽輪機的進汽，使機組快速停機以達到保護機組目的。出于安全性考慮，汽輪機對速關閥快速關閉性能要求極高，在這個過程中由于閥開度逐漸減小，閥碟前后壓差越開越大，造成通流部分的流速很大甚至出現超音速區域，這樣可對后面的管路有一定的沖擊力，并且會造成流動損失的增加。祝海義等人[1]研究了大功率汽輪機調節閥在不同開度時的流場特性，討論了流量和損失隨開度的變化規律，發現小開度下蒸汽對閥座壁面的沖蝕較大開度時更為嚴重。徐克鵬[2]采用實驗與數值模擬相結合的手段，對某600MW汽輪機高壓主汽調節閥進行了研究，討論了閥門流量分配關系、損失的分布情況及其產生機理。相曉偉[3-4]則通過對調節閥全工況三維流場的數值模擬，總結了調節閥開度對通流和損失的影響規律，并提出了一種新的解決思路[5]。

　　本文根據某型汽輪機速關閥的相關參數，對不同閥開度情況下的流場進行了二維數值模擬。通過比較各工況下的流場結果，揭示了不同閥開度工況下通流部分的流動特征，討論了壓力、速度及損失的分布，為優化速關閥的結構設計提供了相應的參考數據。

1、速關閥結構及工作原理

　　圖1為某型汽輪機速關閥結構示意圖，其關閉動作由保安系統操縱，當保安系統中任何一個環節發生速關動作時，則速關油失壓，在彈簧力作用下，活塞與活塞盤脫開，連同閥桿、閥碟即刻被推向關閉位置。

圖1 速關閥結構示意圖

圖2 速關閥結構剖面圖

圖3 速關閥二維計算簡化模型

2、數值模擬方法

　　本文采用的數值模擬工具是商業CFD軟件Fluent，該軟件是目前市場上最流行的CFD軟件，可以用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。同時由于具備了靈活的非結構化網格和成熟的物理模型，使得Fluent在轉捩與湍流、傳熱與相變、化學反應與燃燒等都有廣泛的應用。與其相配套的網格生成工具Gambit，能夠簡單而又直接地實現幾何建模和網格生成。

2.1、速關閥的二維結構模型及其簡化

　　圖2為速關閥的二維機構模型，包括蒸汽來路管道、出路管道、進汽腔室、主閥碟部分。速關閥通道形狀復雜，其流道為雙喉噴管：第一喉部是閥座上緣與隨閥桿升程變化的閥碟下緣構成的，其通流面積是變化的;第二是閥座通道通流面積不變的噴管喉部。由于是二維的問題，若加上閥桿的輪廓線且連接腔室右端形成封閉區域，則閥桿上方的區域將會與蒸汽室隔開，這與實際的三維問題結構不符，因此我們將其忽略，使得計算模型更接近于實際情況(見圖3)。

圖4 速關閥二維計算網格

2.2、計算方案

　　本文研究速關閥行程為45mm，根據數值模擬的需要，模擬不同閥開度情況下通流部分流場結構。因此選擇具有代表性的閥開度，由于閥開度較小時，流場變化大，則閥開度較小時可選得密集些，故選定以下開度為研究方案：100%、75%、50%、35%、20%、5%。

2.3、數值方法

　　2.3.1、網格生成

　　速關閥型腔結構復雜，但由于是二維問題，其復雜程度大大降低，并且該數值模擬主要目的是總體上了解速關閥通流部分的流動情況，所以可以選擇非結構化網格。基于閥門的對稱性，取其中心剖面即可，網格單元數約為5.5萬。

　　2.3.2、湍流模型及邊界條件

　　考慮到流動的具體特征，選用標準的k-ε湍流模型。根據對應機組的設計參數，取蒸汽來流總壓po*為3.9MPa，假設在閥碟處于全開狀態時進口壓力和出口壓力相等，閥碟在關閉的瞬間，閥后壓力等于背壓1.1MPa。其他工況下的閥后壓力按方程p=2.8η+1.1給定，式中p為閥后壓力，η為閥開度。不同開度工況下的進出口壓力參數見表1所示。

3、結果與分析

3.1、總壓及流線分布

　　圖5(a)為100%開度下速關閥內部的總壓與流線分布，可以發現總壓在閥前分布較為均勻，自閥碟喉部向閥座內部的流動，總壓呈現出噴射狀的分布并逐漸下降，其噴射尾流大致居于管道中央且影響距離較遠，一直延伸至調節閥出口。從內部流線來看，在噴射尾流的兩側，形成數量眾多的旋渦，這是由于粘性蒸汽在噴射流的牽引下，同時又受到壁面的摩擦力作用，不斷產生出了類似于卡門渦街的相同旋向的旋渦。在閥碟后部中央位置，出現一個低壓空穴區，并且生成一組穩定的旋向相反的渦對。另外在閥碟右側的流動死區內形成一個穩定的中心點旋渦結構，并且總壓略有下降。

　　圖5(b)為75%開度下的閥內流動狀態，與100%開度下的流場相比，閥后的總壓大幅下降(100%開度下最低總壓為3.88MPa，75%開度下最低總壓2.7MPa)，出口管道內的旋渦尺較大，閥門喉部的噴射流影響區域稍小，且上側喉部的噴射作用強于下側，閥后中央位置的空穴區面積相近，閥座前流動死區流動狀態相似。當開度關至50%開度時圖5(c)，其內部壓力較前兩個開度又有下降，最低壓力僅為2.3MPa，其喉部整體噴射流動強度再次下降，閥后管道內的流動開始惡化，與前兩個開度最大不同之處在于空穴區的流動狀態，之前穩定存在的渦對，其下側的旋渦開始失穩破裂，閥前死區的流動則無明顯變化。到35%開度時圖5(d)，一方面出口總壓持續下降(最低壓力1.8MPa)，流場繼續惡化，同時閥后空穴區僅剩一個旋渦，閥前死區流動未見明顯變化。到20%開度時圖5(e)，上、下兩側的喉部射流強度明顯下降，已無法相交于管道中央，僅附著于上、下管壁向后傳播，整個出口管道內部都呈現出類似于死區的流動狀態，此時流動混亂且損失激增。5%開度下圖5(f)，流動狀態進一步惡化，喉部流動貼壁傳播，管道內部布滿大小不一的旋渦，流動處于最為復雜的狀態，必然導致更嚴重的節流損失產生。

圖5 不同閥開度下的總壓與流線分布

圖6 不同閥開度下的馬赫數云圖

3.2、馬赫數分布

　　圖6(a)為100%開度下的馬赫數分布，可以發現，在此開度下，整個區域內的馬赫數較小，上、下兩側喉部的射流區出現最大馬赫數0.1086(參考表2，下文類似)，閥后空穴區馬赫數僅為0.03。在閥后，由于兩側喉部的射流相交于管道中央，因此整個管道中央的速度要高于上、下管壁。圖6(b)為75%開度下的馬赫數分布，發現隨著開度的減小，喉部最大馬赫數急劇增大，已由100%開度的0.1086上升到0.8671，但還未出現超音區域，空穴區的馬赫數則增加到0.2。開度為50%時圖6(c)，由于進出口壓差的增大，同時由于閥碟與閥座形成的流動通道形狀類似于縮放噴管，因此喉部已經出現超音速流動，在閥座側壁面的最高馬赫數已達1.1802，閥后的空穴區馬赫數沒有明顯變化。當開度減小為35%后圖6(d)，喉部的最高馬赫數進一步增加到1.3498，閥后管道內部馬赫數的混亂程度增加，空穴區的面積開始減小，但馬赫數大小不變。20%開度下圖6(e)，喉部最高馬赫數增大為1.5239，此時兩側喉部的射流不在相交于閥后管道中央，而是貼著下側管壁向后傳播，空穴區開始向外擴張，其值仍為0.2左右。當開度關至5%時圖6(f)，喉部最大馬赫數進一步上升到1.6122，上、下喉部的射流不再射向管道中央，而是貼壁流動，閥后管道中央區域均為低馬赫數區域。