0 概述
近年來(lái),汽輪機(jī)的啟動(dòng)和停止以及功率的變化是通過(guò)改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量或蒸汽參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。顯然,調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動(dòng)特性和工作可靠性對(duì)整個(gè)汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要影響。調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流道為雙喉噴嘴,流動(dòng)分布變化規(guī)律復(fù)雜,研究分析汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng),分析其整體性能和流場(chǎng)細(xì)節(jié),研究損失機(jī)制,提出優(yōu)化閥盤和閥座線的方案,提高調(diào)節(jié)閥的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
調(diào)節(jié)閥作為汽輪機(jī)蒸汽系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),是行業(yè)工作效率和安全最具挖掘潛力的部分,但由于缺乏先進(jìn)的測(cè)試儀器和手段,閥門流動(dòng)特性系統(tǒng)研究不多,國(guó)外使用二維軸對(duì)稱模型視覺實(shí)驗(yàn)研究和三元模型試驗(yàn),但實(shí)際閥門由于流動(dòng)變化引起的振動(dòng)流場(chǎng)沒有顯示。到目前為止,工程設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)閥的流動(dòng)特性參數(shù)主要是指一些設(shè)計(jì)手冊(cè)中提供的經(jīng)驗(yàn)公式和系數(shù),估計(jì)誤差很大,阻礙了閥門質(zhì)量的提高。CFD數(shù)值模擬技術(shù)為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和分析閥門的流動(dòng)特性提供了有效的新途徑。本文為600MW超臨界汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬分析對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和氣動(dòng)性能優(yōu)化具有重要意義。
1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分
1.1 幾何模型
調(diào)節(jié)閥采用兩組進(jìn)氣閥,進(jìn)氣閥體為主氣閥和調(diào)節(jié)氣閥的組合結(jié)構(gòu),如圖1所示。閥體保留了主控制閥、閥桿、閥盤、閥座和進(jìn)出口線的所有原型結(jié)構(gòu)。
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圖1
1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件
圖2給出了蒸汽流經(jīng)空間幾何通道的計(jì)算網(wǎng)格圖,在喉嚨等關(guān)鍵部位進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密和應(yīng)用Gambit網(wǎng)格劃分軟件生成調(diào)節(jié)閥非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格單元數(shù)約120萬(wàn),使用Fluent6.2.并行計(jì)算軟件在曙光高速并行機(jī)上計(jì)算全三維流場(chǎng)?;痉匠虨槿S可壓N2S方程,采用非耦合求解器,采用隱式算法,定常流動(dòng)。采用定比熱計(jì)算,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k2ω模型,近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。邊界條件給定進(jìn)口總壓、總溫和出口靜壓。
表1 調(diào)節(jié)閥邊界條件
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表1給出了超臨界調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口的邊界條件,其中蒸汽進(jìn)口湍流為3%,水力直徑為250mm;出口湍流為8%,水力直徑為172mm。
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圖2 調(diào)節(jié)閥局部計(jì)算網(wǎng)格
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2 計(jì)算結(jié)果分析
2.1 調(diào)節(jié)閥馬赫數(shù)等值線分析
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圖3 調(diào)節(jié)閥汽流馬赫數(shù)等值線圖(100%開度)
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圖4 調(diào)節(jié)閥汽流馬赫數(shù)等值線圖(50%開度)
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圖5 調(diào)節(jié)閥汽流馬赫數(shù)等值線圖(30%開度)
圖3、圖4和圖5分別給出了100%、50%和30%開度下馬赫數(shù)等值線圖。如圖所示,隨著開度的降低,馬赫數(shù)的最大值增加,從100%開度到0.馬赫數(shù)最大值增加到30%.4.由于閥體內(nèi)空間較大,在通過(guò)閥盤和閥座組成的環(huán)形通道前,流體速度變化較小,速度較低。隨著開度和通流能力的降低,閥體內(nèi)大空間的流量逐漸下降,馬赫數(shù)從100%開始.當(dāng)009降至30%開度時(shí).03.如圖所示,馬赫數(shù)變化較大的區(qū)域主要集中在環(huán)形通道和閥碟下的擴(kuò)壓區(qū)。
當(dāng)最大開度(100%)時(shí),調(diào)節(jié)閥中心表面兩側(cè)形成強(qiáng)射流,且不對(duì)稱。中心表面左側(cè)(靠近主蒸汽入口側(cè))的蒸汽流從喉部噴出,然后形成閥座附著流;中心表面右側(cè)(遠(yuǎn)離主蒸汽入口側(cè))的蒸汽流從喉部噴射后形成較大的蒸汽流影響區(qū),蒸汽流噴射的影響區(qū)一直延續(xù)到出口。兩側(cè)的蒸汽流混合,相互影響形成不對(duì)稱匯流。原因是在此開度(100%)下,閥門開度較大,主蒸汽閥的蒸汽通過(guò)左側(cè)流動(dòng)90°旋轉(zhuǎn)直接流經(jīng)調(diào)節(jié)閥喉部至出口,右側(cè)蒸汽流為流經(jīng)調(diào)節(jié)閥桿的圓柱繞流。在流動(dòng)過(guò)程中,蒸汽流量在較大的調(diào)節(jié)閥空間中擴(kuò)大,流量較低。
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圖6 馬赫數(shù)等值線喉部放大圖(30%開度)
圖6顯示了30%開度時(shí)馬赫數(shù)等值線喉部放大圖。如圖6所示,流體在喉部出口處形成閥座附著流,無(wú)汽流混合。由于閥盤的獨(dú)特設(shè)計(jì),高速流體附著在閥座壁上。閥盤下部設(shè)有間隙邊緣,使汽流從閥盤表面強(qiáng)制分離。這種流動(dòng)特性一直持續(xù)到出口。在閥盤下方至出口的擴(kuò)壓區(qū),除了靠近墻面區(qū)域的流體外,
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2.2 不同工況開度下調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)分布
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圖7 蒸汽閥氣流及局部放大圖(100%開度)
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圖8 蒸汽閥氣流及局部放大圖(50%開度)
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圖9 蒸汽閥氣流及局部放大圖(30%開度)
圖7、圖8和圖9顯示了蒸汽閥在不同工作條件下的蒸汽流量。從圖中可以看出,不同尺寸的渦流系統(tǒng)分布和調(diào)節(jié)閥空間中的參數(shù)變化。在100%的工作條件下,調(diào)節(jié)閥具有較強(qiáng)的通流能力,從喉部到出口區(qū)間的蒸汽流量混合,這里的參數(shù)變化緩解。隨著開度的降低,調(diào)節(jié)閥的通流能力減弱,喉部區(qū)域的參數(shù)變化劇烈,但喉部出口區(qū)域的流相對(duì)清晰,沿喉部周向出口的氣流不混合。因此,可以進(jìn)一步說(shuō)明,閥盤的凹面設(shè)計(jì)減少了不同開口條件下蒸汽流量混合造成的能量損失。
3 結(jié)論
(1)由閥盤和閥座組成的環(huán)形通道是三個(gè)氣動(dòng)性能的關(guān)鍵部流場(chǎng)特性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件。
(2)調(diào)節(jié)閥的閥盤采用凹形設(shè)計(jì)。汽流從喉部噴射后,迅速脫離閥盤,在閥座曲線收斂段形成附著流,避免了流經(jīng)閥盤表面周向流體的能量損失。
(3)在調(diào)節(jié)閥的喉出口,蒸汽流入凹面空間,減速和擴(kuò)大壓力。由于反向壓力梯度,閥座壁邊界層回流,形成閥座曲線收斂段壁附近的渦流區(qū)。
參考文獻(xiàn)
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