汽輪機(jī)速關(guān)閥不同開度下的流動特性數(shù)值研究

2013-09-03 龐可河南省電力勘測設(shè)計(jì)院

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

　　汽輪機(jī)速關(guān)閥也稱為主汽門，由閥門本體和油動機(jī)兩部分組成，它是主蒸汽管路與汽輪機(jī)之間的主要關(guān)閉機(jī)構(gòu)，在緊急狀態(tài)時能立即截?cái)嗥啓C(jī)的進(jìn)汽，使機(jī)組快速停機(jī)以達(dá)到保護(hù)機(jī)組目的。出于安全性考慮，汽輪機(jī)對速關(guān)閥快速關(guān)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(xiàn)超音速區(qū)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(jī)調(diào)節(jié)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(guī)律，發(fā)現(xiàn)小開度下蒸汽對閥座壁面的沖蝕較大開度時更為嚴(yán)重。徐克鵬[2]采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，對某600MW汽輪機(jī)高壓主汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了研究，討論了閥門流量分配關(guān)系、損失的分布情況及其產(chǎn)生機(jī)理。相曉偉[3-4]則通過對調(diào)節(jié)閥全工況三維流場的數(shù)值模擬，總結(jié)了調(diào)節(jié)閥開度對通流和損失的影響規(guī)律，并提出了一種新的解決思路[5]。

　　本文根據(jù)某型汽輪機(jī)速關(guān)閥的相關(guān)參數(shù)，對不同閥開度情況下的流場進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。通過比較各工況下的流場結(jié)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(yōu)化速關(guān)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)。

1、速關(guān)閥結(jié)構(gòu)及工作原理

　　圖1為某型汽輪機(jī)速關(guān)閥結(jié)構(gòu)示意圖，其關(guān)閉動作由保安系統(tǒng)操縱，當(dāng)保安系統(tǒng)中任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生速關(guān)動作時，則速關(guān)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(guān)閉位置。

圖1 速關(guān)閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 速關(guān)閥結(jié)構(gòu)剖面圖

圖3 速關(guān)閥二維計(jì)算簡化模型

2、數(shù)值模擬方法

　　本文采用的數(shù)值模擬工具是商業(yè)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(nèi)的復(fù)雜流動。同時由于具備了靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和成熟的物理模型，使得Fluent在轉(zhuǎn)捩與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒等都有廣泛的應(yīng)用。與其相配套的網(wǎng)格生成工具Gambit，能夠簡單而又直接地實(shí)現(xiàn)幾何建模和網(wǎng)格生成。

2.1、速關(guān)閥的二維結(jié)構(gòu)模型及其簡化

　　圖2為速關(guān)閥的二維機(jī)構(gòu)模型，包括蒸汽來路管道、出路管道、進(jìn)汽腔室、主閥碟部分。速關(guān)閥通道形狀復(fù)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(gòu)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(qū)域，則閥桿上方的區(qū)域?qū)c蒸汽室隔開，這與實(shí)際的三維問題結(jié)構(gòu)不符，因此我們將其忽略，使得計(jì)算模型更接近于實(shí)際情況(見圖3)。

圖4 速關(guān)閥二維計(jì)算網(wǎng)格

2.2、計(jì)算方案

　　本文研究速關(guān)閥行程為45mm，根據(jù)數(shù)值模擬的需要，模擬不同閥開度情況下通流部分流場結(jié)構(gòu)。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(shù)值方法

　　2.3.1、網(wǎng)格生成

　　速關(guān)閥型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于是二維問題，其復(fù)雜程度大大降低，并且該數(shù)值模擬主要目的是總體上了解速關(guān)閥通流部分的流動情況，所以可以選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格�；陂y門的對稱性，取其中心剖面即可，網(wǎng)格單元數(shù)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(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型。根據(jù)對應(yīng)機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)，取蒸汽來流總壓po*為3.9MPa，假設(shè)在閥碟處于全開狀態(tài)時進(jìn)口壓力和出口壓力相等，閥碟在關(guān)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(jìn)出口壓力參數(shù)見表1所示。

3、結(jié)果與分析

3.1、總壓及流線分布

　　圖5(a)為100%開度下速關(guān)閥內(nèi)部的總壓與流線分布，可以發(fā)現(xiàn)總壓在閥前分布較為均勻，自閥碟喉部向閥座內(nèi)部的流動，總壓呈現(xiàn)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(yuǎn)，一直延伸至調(diào)節(jié)閥出口。從內(nèi)部流線來看，在噴射尾流的兩側(cè)，形成數(shù)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(chǎn)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(xiàn)一個低壓空穴區(qū)，并且生成一組穩(wěn)定的旋向相反的渦對。另外在閥碟右側(cè)的流動死區(qū)內(nèi)形成一個穩(wěn)定的中心點(diǎn)旋渦結(jié)構(gòu)，并且總壓略有下降。

　　圖5(b)為75%開度下的閥內(nèi)流動狀態(tài)，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(nèi)的旋渦尺較大，閥門喉部的噴射流影響區(qū)域稍小，且上側(cè)喉部的噴射作用強(qiáng)于下側(cè)，閥后中央位置的空穴區(qū)面積相近，閥座前流動死區(qū)流動狀態(tài)相似。當(dāng)開度關(guān)至50%開度時圖5(c)，其內(nèi)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(qiáng)度再次下降，閥后管道內(nèi)的流動開始惡化，與前兩個開度最大不同之處在于空穴區(qū)的流動狀態(tài)，之前穩(wěn)定存在的渦對，其下側(cè)的旋渦開始失穩(wěn)破裂，閥前死區(qū)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(xù)下降(最低壓力1.8MPa)，流場繼續(xù)惡化，同時閥后空穴區(qū)僅剩一個旋渦，閥前死區(qū)流動未見明顯變化。到20%開度時圖5(e)，上、下兩側(cè)的喉部射流強(qiáng)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(nèi)部都呈現(xiàn)出類似于死區(qū)的流動狀態(tài)，此時流動混亂且損失激增。5%開度下圖5(f)，流動狀態(tài)進(jìn)一步惡化，喉部流動貼壁傳播，管道內(nèi)部布滿大小不一的旋渦，流動處于最為復(fù)雜的狀態(tài)，必然導(dǎo)致更嚴(yán)重的節(jié)流損失產(chǎn)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(shù)云圖

3.2、馬赫數(shù)分布

　　圖6(a)為100%開度下的馬赫數(shù)分布，可以發(fā)現(xiàn)，在此開度下，整個區(qū)域內(nèi)的馬赫數(shù)較小，上、下兩側(cè)喉部的射流區(qū)出現(xiàn)最大馬赫數(shù)0.1086(參考表2，下文類似)，閥后空穴區(qū)馬赫數(shù)僅為0.03。在閥后，由于兩側(cè)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(shù)分布，發(fā)現(xiàn)隨著開度的減小，喉部最大馬赫數(shù)急劇增大，已由100%開度的0.1086上升到0.8671，但還未出現(xiàn)超音區(qū)域，空穴區(qū)的馬赫數(shù)則增加到0.2。開度為50%時圖6(c)，由于進(jìn)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(jīng)出現(xiàn)超音速流動，在閥座側(cè)壁面的最高馬赫數(shù)已達(dá)1.1802，閥后的空穴區(qū)馬赫數(shù)沒有明顯變化。當(dāng)開度減小為35%后圖6(d)，喉部的最高馬赫數(shù)進(jìn)一步增加到1.3498，閥后管道內(nèi)部馬赫數(shù)的混亂程度增加，空穴區(qū)的面積開始減小，但馬赫數(shù)大小不變。20%開度下圖6(e)，喉部最高馬赫數(shù)增大為1.5239，此時兩側(cè)喉部的射流不在相交于閥后管道中央，而是貼著下側(cè)管壁向后傳播，空穴區(qū)開始向外擴(kuò)張，其值仍為0.2左右。當(dāng)開度關(guān)至5%時圖6(f)，喉部最大馬赫數(shù)進(jìn)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?yún)^(qū)域均為低馬赫數(shù)區(qū)域。