1 前言
汽qi輪lun機ji的de啟qi停ting和he功gong率lv的de變bian化hua是shi通tong過guo調tiao節jie閥fa開kai度du的de變bian化hua，從cong而er改gai變bian進jin入ru汽qi輪lun機ji的de蒸zheng汽qi流liu量liang或huo蒸zheng汽qi參can數shu來lai實shi現xian的de。作zuo為wei汽qi輪lun機ji進jin汽qi機ji構gou的de重zhong要yao組zu成cheng部bu分fen，調tiao節jie閥fa氣qi動dong性xing能neng的de好hao壞huai會hui對dui整zheng個ge汽qi輪lun機ji機ji組zu的de經jing濟ji性xing產chan生sheng直zhi接jie的de影ying響xiang。另ling外wai，調tiao節jie閥fa中zhong閥fa體ti的de振zhen動dong現xian象xiang也ye存cun在zai於yu實shi際ji的de運yun行xing中zhong，類lei似si閥fa杆gan振zhen動dong、閥杆斷裂、閥座拔起等事故曾經發生1~2，zhijieyingxianglejizudeanquangongzuo。zaochengfatizhendongdezhuyaoyuanyinshitiaojiefaneiqiliuliudongdebuwending，erqiliuliudongdebuwendingyouyuliudongdebianjieyoumiqiedeguanxi。buhelideliudongbianjieshiliutideliudongwufakongzhi，liudongzhongchanshengderaodongxiangwaikuosanhebuduanzengchang，congerzaochengleqiliuliudongdebuwending。yinci，wulunshicongjingjixingdejiaoduhaishianquanxingdejiaodulaikaolv，yanjiuhefenxiqilunjitiaojiefadeneibuliuchang，youhuaqiqidongxingneng，jianxiaoliudongsunshihewendingqiliu，tigaotiaojiefadeliudongxiaolvheanquanxing，zuizhongshejichuqidongxingnenglianghaodetiaojiefawuyiyouzhongyaodegongchengshijiyiyi。
2 汽輪機調節閥設計的現狀
目前調節閥結構優化主要基於冷態單閥體對比試驗，獲得流量特性、卸載室特性、提(ti)升(sheng)力(li)和(he)相(xiang)對(dui)穩(wen)定(ding)性(xing)基(ji)本(ben)特(te)性(xing)，從(cong)中(zhong)挑(tiao)選(xuan)出(chu)較(jiao)優(you)的(de)型(xing)線(xian)組(zu)合(he)方(fang)案(an)，提(ti)供(gong)定(ding)常(chang)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)設(she)計(ji)依(yi)據(ju)。實(shi)際(ji)調(tiao)節(jie)閥(fa)設(she)計(ji)計(ji)算(suan)主(zhu)要(yao)依(yi)據(ju)流(liu)動(dong)相(xiang)似(si)理(li)論(lun)、流體力學的相關原理和冷態試驗數據來確定設計工況條件下幾個關鍵部位尺寸，比如調節閥配合直徑、閥座喉部和出口直徑。傳統設計方法比較簡單，對大部分定常流態的運行負荷仍是可靠的。
流動相似理論指出：動dong力li相xiang似si需xu要yao模mo型xing和he實shi物wu兩liang種zhong流liu動dong在zai時shi空kong相xiang似si條tiao件jian下xia各ge相xiang似si準zhun則ze數shu都dou相xiang等deng。與yu常chang規gui流liu體ti機ji械xie不bu同tong，汽qi輪lun機ji調tiao節jie閥fa內nei產chan生sheng非fei定ding常chang流liu動dong現xian象xiang不bu僅jin隨sui機ji性xing強qiang，而er且qie極ji其qi微wei妙miao和he敏min感gan。運yun行xing現xian場chang很hen難nan準zhun確que捕bu獲huo發fa生sheng流liu固gu耦ou合he現xian象xiang的de根gen源yuan所suo在zai，模mo化hua試shi驗yan又you難nan於yu真zhen實shi重zhong現xian不bu穩wen定ding現xian象xiang。正zheng是shi這zhe些xie原yuan因yin，調tiao節jie閥fa模mo化hua設she計ji欠qian缺que實shi測ce和he試shi驗yan數shu據ju，更geng談tan不bu上shang掌zhang握wo其qi內nei部bu流liu動dong規gui律lv，限xian製zhi了le相xiang似si理li論lun的de應ying用yong，例li如ruStrouhal時(shi)間(jian)相(xiang)似(si)準(zhun)數(shu)中(zhong)參(can)數(shu)的(de)確(que)定(ding)至(zhi)今(jin)缺(que)乏(fa)研(yan)究(jiu)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)調(tiao)節(jie)閥(fa)發(fa)生(sheng)流(liu)固(gu)耦(ou)合(he)現(xian)象(xiang)所(suo)涉(she)及(ji)的(de)非(fei)定(ding)常(chang)流(liu)動(dong)缺(que)乏(fa)模(mo)化(hua)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)。顯(xian)然(ran)，從(cong)模(mo)型(xing)設(she)計(ji)、加工、試shi驗yan到dao數shu據ju轉zhuan換huan到dao真zhen實shi調tiao節jie閥fa工gong作zuo狀zhuang態tai的de實shi物wu設she計ji完wan成cheng，整zheng個ge過guo程cheng不bu僅jin周zhou期qi長chang花hua費fei大da，而er且qie存cun在zai不bu少shao的de不bu確que定ding性xing，改gai進jin調tiao節jie閥fa設she計ji方fang法fa是shi十shi分fen必bi要yao的de。
3 調節閥設計的新思路
近jin年nian來lai，隨sui著zhe計ji算suan流liu體ti力li學xue和he計ji算suan機ji技ji術shu的de飛fei速su發fa展zhan，采cai用yong數shu值zhi模mo擬ni手shou段duan對dui複fu雜za流liu動dong問wen題ti進jin行xing研yan究jiu成cheng為wei可ke能neng。數shu值zhi模mo擬ni手shou段duan不bu僅jin可ke以yi節jie約yue大da量liang的de人ren力li和he資zi金jin，最zui重zhong要yao的de特te點dian是shi可ke以yi模mo擬ni和he展zhan現xian調tiao節jie閥fa真zhen實shi工gong作zuo在zai高gao溫wen高gao壓ya狀zhuang態tai下xia時shi其qi內nei部bu流liu動dong參can數shu的de變bian化hua和he分fen布bu規gui律lv，尤you其qi對dui全quan負fu荷he變bian化hua範fan圍wei都dou可ke以yi進jin行xing細xi節jie信xin息xi的de獲huo取qu。盡jin管guan調tiao節jie閥fa內nei的de非fei定ding常chang流liu動dong數shu值zhi模mo擬ni研yan究jiu還hai達da不bu到dao實shi際ji要yao求qiu，但dan在zai設she計ji前qian首shou先xian進jin行xing調tiao節jie閥fa全quan工gong況kuang範fan圍wei的de三san維wei真zhen實shi工gong作zuo參can數shu和he介jie質zhi的de數shu值zhi模mo擬ni研yan究jiu不bu僅jin彌mi補bu了le試shi驗yan研yan究jiu的de短duan缺que，更geng重zhong要yao的de是shi可ke提ti供gong試shi驗yan無wu法fa獲huo得de的de數shu據ju。如ru為wei設she計ji人ren員yuan提ti供gong全quan麵mian完wan整zheng的de流liu場chang信xin息xi，從cong而er為wei降jiang低di流liu動dong損sun失shi、改gai善shan閥fa門men穩wen定ding性xing提ti供gong思si路lu，並bing能neng預yu測ce調tiao節jie閥fa運yun行xing實shi況kuang。新xin的de設she計ji方fang法fa應ying該gai是shi先xian選xuan出chu多duo種zhong閥fa門men型xing線xian組zu合he方fang案an，然ran後hou進jin行xing大da量liang的de數shu值zhi模mo擬ni，從cong計ji算suan結jie果guo中zhong獲huo得de一yi定ding量liang指zhi導dao性xing依yi據ju後hou，針zhen對dui不bu同tong使shi用yong要yao求qiu和he配pei汽qi方fang式shi再zai進jin行xing內nei部bu流liu場chang結jie構gou的de優you化hua，以yi完wan善shan設she計ji。模mo化hua試shi驗yan僅jin對dui典dian型xing工gong況kuang和he挑tiao選xuan的de閥fa門men型xing式shi進jin行xing。最zui終zhong結jie合he試shi驗yan和he運yun行xing數shu據ju形xing成cheng完wan整zheng的de設she計ji方fang案an，其qi設she計ji流liu程cheng如ru圖tu 1 所示。本思路對完善傳統設計方法不僅必要，而且完全可行，既可節省大量的試驗經費，又可使設計水平顯著提高。
基(ji)於(yu)上(shang)述(shu)思(si)路(lu)，文(wen)中(zhong)將(jiang)介(jie)紹(shao)調(tiao)節(jie)閥(fa)三(san)維(wei)流(liu)場(chang)的(de)數(shu)值(zhi)計(ji)算(suan)方(fang)法(fa)，並(bing)且(qie)對(dui)某(mou)特(te)定(ding)工(gong)況(kuang)下(xia)的(de)調(tiao)節(jie)閥(fa)流(liu)場(chang)進(jin)行(xing)數(shu)值(zhi)計(ji)算(suan)。在(zai)充(chong)分(fen)掌(zhang)握(wo)閥(fa)門(men)流(liu)動(dong)特(te)性(xing)和(he)細(xi)節(jie)流(liu)動(dong)信(xin)息(xi)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，對(dui)閥(fa)內(nei)流(liu)場(chang)進(jin)行(xing)初(chu)步(bu)優(you)化(hua)。。
4 數值計算方法
4.1 幾何結構及湍流模型
我們以廠家提供的型線閥為例，基本結構如圖 2 所示，其中三維坐標的X軸為汽流進口方向，Y軸為汽流出口的逆方向，右手定則確定Z軸方向。
顯然，調節閥工作在高溫高壓蒸汽條件下，其流動為三維、可壓縮、粘性湍流流動。計算采用三維雷諾平均守恒型Navier-Stokes方程，湍流模型先後選用了Realizablek-ε模型和標準k-ε模型，經比較，兩者計算結果差別不明顯，最終選用較常用的標準k-ε湍流模型。采用二階差分格式離散方程，用 SIMPLE 算法求解控製方程。氣體狀態方程計算公式：
P=ρRTa(1+Bρ+Cρ2)
其中：P—汽體壓力；ρ—汽體密度；R—汽體常數；T—汽體溫度；B和C—係數。
4.2 計算網格和邊界條件
由於調節閥型腔結構複雜，采用分塊結構化網格，圖 3 給出了調節閥的三維計算網格示意。基於閥門結構的對稱性，計算時取其一半即可，網格單元數約為90萬。
邊界條件按設計數據給定的參數，進口參數為：進口總壓P0和總溫T0，出口為靜壓P1。因調節閥外壁有保溫措施，所以壁麵采用絕熱假定與實際有非常好的近似。對壁麵附近的粘性支層的處理有兩種方法，即低Re模mo型xing和he壁bi麵mian函han數shu法fa。壁bi麵mian函han數shu法fa采cai用yong半ban經jing驗yan公gong式shi來lai反fan映ying壁bi麵mian對dui近jin壁bi區qu流liu動dong的de影ying響xiang，在zai工gong程cheng湍tuan流liu的de計ji算suan中zhong得de到dao了le較jiao為wei廣guang泛fan的de應ying用yong。壁bi麵mian函han數shu法fa又you可ke分fen為wei兩liang種zhong：biaozhunbimianhanshufahefeipinghengbimianhanshufa，benwencaiyongbiaozhunbimianhanshufa。qiliujinkoukaolvdaodianchangguoluguandaojingguochangjulishusongdechongfenhunhehoujunyunjinrudaoqilunji，yinci，jisuanshitiaojiefajinkoubianjieqiliucanshurenweishijunyunde，tongshizhiyouyanguandaodezhouxiangsuduVin。進口湍流脈動動能Kin及耗散率εin參照管流經驗公式：
Kin=0.5%×V2in
εin=K3/2in 3/4Cμ/δ
式中：Cμ=0.09，δ—進口截麵的當量半徑。
5 算例分析
據廠家提供的數據，調節閥的配合直徑D為125mm，閥進口總壓P0為8.820MPa，進口總溫 T0為 808K。定義相對升程 L=L/D，其中L為閥門的提升高度，D為閥門的配合直徑。壓比ε=P1/P0，P1weifamendechukoujingyali。tongguoduicizhongxingxianfazaibutongshengchenghebutongyabitiaojianxiajinxingdaliangdeshuzhijisuan，nenggouzhangwofamendezhengtiliudongtexing。tiaojiefadeliudaojiegouzhuyaofenwei3個部分：閥腔、閥(fa)碟(die)下(xia)表(biao)麵(mian)和(he)閥(fa)座(zuo)上(shang)表(biao)麵(mian)組(zu)成(cheng)的(de)環(huan)行(xing)通(tong)道(dao)及(ji)閥(fa)座(zuo)擴(kuo)壓(ya)通(tong)道(dao)。汽(qi)流(liu)由(you)進(jin)口(kou)流(liu)入(ru)閥(fa)腔(qiang)的(de)較(jiao)大(da)空(kong)間(jian)後(hou)，流(liu)速(su)有(you)所(suo)減(jian)小(xiao)，在(zai)閥(fa)腔(qiang)內(nei)汽(qi)流(liu)的(de)氣(qi)動(dong)參(can)數(shu)基(ji)本(ben)上(shang)不(bu)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，但(dan)當(dang)汽(qi)流(liu)一(yi)進(jin)入(ru)閥(fa)碟(die)和(he)閥(fa)座(zuo)構(gou)成(cheng)的(de)環(huan)行(xing)通(tong)道(dao)後(hou)，在(zai)極(ji)其(qi)短(duan)的(de)行(xing)程(cheng)中(zhong)，蒸(zheng)汽(qi)劇(ju)烈(lie)的(de)膨(peng)脹(zhang)，靜(jing)壓(ya)迅(xun)速(su)降(jiang)低(di)，流(liu)速(su)快(kuai)速(su)增(zeng)大(da)，尤(you)其(qi)在(zai)中(zhong)小(xiao)升(sheng)程(cheng)。隨(sui)著(zhe)汽(qi)流(liu)流(liu)入(ru)閥(fa)座(zuo)擴(kuo)壓(ya)段(duan)，其(qi)靜(jing)壓(ya)力(li)又(you)會(hui)緩(huan)慢(man)的(de)增(zeng)加(jia)直(zhi)至(zhi)出(chu)口(kou)。數(shu)值(zhi)計(ji)算(suan)不(bu)但(dan)能(neng)夠(gou)掌(zhang)握(wo)調(tiao)節(jie)閥(fa)的(de)整(zheng)體(ti)流(liu)動(dong)特(te)點(dian)，更(geng)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)它(ta)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)閥(fa)內(nei)流(liu)場(chang)的(de)細(xi)節(jie)信(xin)息(xi)，從(cong)而(er)使(shi)設(she)計(ji)者(zhe)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)對(dui)流(liu)場(chang)結(jie)構(gou)的(de)分(fen)析(xi)，找(zhao)出(chu)流(liu)動(dong)不(bu)合(he)理(li)的(de)問(wen)題(ti)所(suo)在(zai)，並(bing)適(shi)當(dang)地(di)調(tiao)整(zheng)現(xian)有(you)的(de)閥(fa)碟(die)或(huo)者(zhe)閥(fa)座(zuo)的(de)型(xing)線(xian)，以(yi)達(da)到(dao)改(gai)善(shan)閥(fa)門(men)通(tong)流(liu)特(te)性(xing)，降(jiang)低(di)損(sun)失(shi)，提(ti)高(gao)閥(fa)門(men)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)目(mu)的(de)。就(jiu)本(ben)文(wen)所(suo)選(xuan)取(qu)的(de)調(tiao)節(jie)閥(fa)來(lai)講(jiang)，當(dang)整(zheng)個(ge)機(ji)組(zu)在(zai)額(e)定(ding)工(gong)況(kuang)下(xia)運(yun)行(xing)時(shi)，閥(fa)門(men)的(de)相(xiang)對(dui)升(sheng)程(cheng) L=28.8%，壓比 ε=0.95，在此工況下對調節閥流場進行數值計算，其Ma分布如圖 4 所示。
整體而言，此工況下汽流的流速不高，Ma數較小，氣流的流動損失不大。但是在閥碟下方的局部區域內存在的低速氣流，在這一區域內Ma數很小，其值不足0.1，習慣上此區域被稱為空穴區。空穴區的形成是因為氣流以一定的角度流入閥座，如圖 5 suoshi。dangjiasuqiliujinrufazuoshi，huishifadiexiabuyuqiliutuolibingzaiqixiafangxingchengyigekongxuequ。zaizhanxingshuyundezuoyongxia，kongxuelideqitihuibuduanbeiqixiayoudeqiliudaizou，zhezhongchouxizuoyonghuishikongxueneiyalixiajiang，xingchengdiyaqu。dangkongxueneiqitiyalixiajiangdaoyidingchengdushi，tazhouweideqiliujiuhuishenrujinlaitianbukongxue，jiuzheyang，kongxueneideqiliuyibianbutingdibeichouxizou，yibianyouyouqiliujinlaitianbu。zhezhongchouxixingweishiyizhongfeiwentaideliudong，kongxuezhongqiyashikezaibianhua，zheyangjiuhuidaozhizuoyongzaifadiexiabudeyaliyefashengmaidongbianhua，jinerkenengyinqifatizhendong。ciwaiduiyufamendetongliutexinglaishuo，kongxuequyeshi“無用區”。
為了有效地消除空穴區對閥門穩定流動的不利影響，首先我們對圖 4 所suo示shi工gong況kuang的de流liu場chang進jin行xing分fen析xi，最zui直zhi接jie的de想xiang法fa就jiu是shi用yong實shi體ti部bu分fen填tian充chong空kong穴xue區qu，為wei此ci我wo們men在zai閥fa碟die下xia方fang延yan長chang出chu一yi塊kuai和he空kong穴xue區qu的de形xing狀zhuang大da小xiao近jin似si相xiang同tong的de部bu分fen。改gai型xing後hou的de結jie構gou如ru圖tu 6 所示。
對改型後的調節閥在與改型前完全相同的進出口條件下進行數值計算。其中分麵上的Ma數分布如圖 7 所示。對比圖 4 和圖 7 可以發現，改型後的閥門整體上仍然維持低Ma數的流動特點，並且閥碟下方的汽流速度相應增加，同未改型前相比，Ma數由原來的最低0.05變到0.15以上，也就是說空穴區基本消失。另一方麵改型前後兩閥門的通流量分別為 40.912kg/s 和 41.273kg/s，可見對閥門的改型也並未影響通流能力。為此我們認為改型方案是成功的。
以yi上shang我wo們men用yong一yi個ge例li子zi說shuo明ming了le本ben文wen所suo提ti出chu的de新xin的de調tiao節jie閥fa設she計ji思si路lu中zhong，通tong過guo數shu值zhi計ji算suan來lai了le解jie內nei部bu流liu場chang的de細xi節jie，在zai此ci基ji礎chu上shang找zhao到dao流liu場chang不bu合he理li的de問wen題ti所suo在zai，並bing通tong過guo適shi當dang的de調tiao整zheng閥fa門men型xing線xian來lai優you化hua內nei部bu流liu場chang結jie構gou，從cong而er達da到dao提ti高gao閥fa門men氣qi動dong性xing能neng的de目mu的de，這zhe也ye是shi本ben文wen所suo提ti出chu的de新xin閥fa門men設she計ji思si路lu中zhong的de核he心xin部bu分fen。
6 結束語
在zai深shen入ru分fen析xi現xian有you汽qi輪lun機ji調tiao節jie閥fa設she計ji方fang法fa的de基ji礎chu上shang，提ti出chu了le新xin的de調tiao節jie閥fa設she計ji思si路lu。在zai新xin的de設she計ji思si路lu中zhong引yin入ru數shu值zhi計ji算suan的de步bu驟zhou，通tong過guo數shu值zhi計ji算suan了le解jie閥fa門men內nei部bu的de細xi節jie流liu動dong信xin息xi，找zhao出chu流liu場chang不bu合he理li的de問wen題ti所suo在zai，並bing通tong過guo適shi當dang的de措cuo施shi改gai善shan和he優you化hua內nei部bu流liu場chang結jie構gou，從cong而er達da到dao提ti高gao閥fa門men氣qi動dong性xing能neng和he增zeng強qiang汽qi流liu穩wen定ding性xing的de目mu的de。在zai此ci基ji礎chu上shang對dui典dian型xing工gong況kuang進jin行xing模mo型xing試shi驗yan，完wan成cheng閥fa門men的de設she計ji。
