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摘 要： 摘要：汽輪機閥門的氣動性能和安全性能與電廠的安全高效運行直接相關，合理設計閥門結構對提高閥門穩定性和氣動性能非常關鍵，因而一直受到電廠和汽輪機制造廠商的重視。現階段，主要有試驗和數值模擬方法來研究閥門的氣動性能。本文選取典型工業汽輪機組最
摘要：汽輪機閥門的氣動性能和安全性能與電廠的安全高效運行直接相關，合理設計閥門結構對提高閥門穩定性和氣動性能非常關鍵，因而一直受到電廠和汽輪機制造廠商的重視。現階段，主要有試驗和數值模擬方法來研究閥門的氣動性能。本文選取典型工業汽輪機組最常用的抽汽調節閥作為研究對象，基于CFD數值模擬技術對其蒸汽流場進行計算，并分析了該型號閥門的氣動性能。
關鍵詞：抽汽調節閥;CFD;氣動性能;流場分析
前言
汽輪機是一種動力機械，它不僅是現代火力發電廠的主要設備，也廣泛應用于化工、冶金、船舶動力設備中。工業汽輪機中，抽汽調節閥承擔著調節負荷的功能。帶負荷正常運行時通過抽汽調節閥控制進入汽輪機中低壓缸的蒸汽流量，進而改變其出力、轉速，以適應不同工況和不同抽汽量需求。國內外學者通過實驗與數值模擬方法，對汽輪機閥門的氣動性能進行了大量研究。
宋風強[1]采用數值模擬方法對某汽輪機閥門不同升程(3mm和6mm)的內部流動情況進行計算，得到不同升程閥門內部的蒸汽流場，為減少氣流壓力損失，可采取優化閥門喉部流線、降低工質流速等方法。于靜梅[2]研究了某汽輪機進汽閥的氣動性能，分析了機組正常運行和不同負荷下閥門不同開啟順序兩種情況的蒸汽流場特征。徐克鵬[3]等通過實驗和數值模擬相結合方法，對某600MW汽輪機主調閥的流場進行了研究。結果表明：閥內蒸汽流場的壓力損失主要在調節閥喉部區域，調節閥在較小開度時，喉部流場不穩定性增加，產生較大的高頻噪聲，蒸汽參數的分布不均勻造成了閥門部件的振動。趙玉柱[4]通過實驗和數值模擬方法，對帶濾網部件的汽輪機G-I閥門進行研究。研究發現：蒸汽氣流在整個閥組系統中流經環形通道時，通流面積的驟減使蒸汽速度急劇增大，壓力能轉化成動能，節流現象明顯，濾網的存在穩定了蒸汽氣流的壓力場。
抽汽調節閥的不穩定運行將可能導致機組負荷波動達10%額定負荷量，這不僅影響機組的安全經濟運行，甚至可能造成設備損壞及人身傷亡，后果非常嚴重。本文以東方汽輪機有限公司典型工業汽輪機抽汽調節閥為對象，基于CFD技術數值模擬了抽汽調節閥內的蒸汽流場，得到了閥內蒸汽的氣動參數分布，分析了該型號抽汽調節閥的氣動性能;在原有抽汽調節閥上安裝拉筋以提高部件強度，并分析了抽汽調節閥拉筋對蒸汽流場的影響。
計算模型、網格劃分及計算設置
2.1計算模型
選取我廠工業汽輪機組最常用抽汽調節閥作為研究對象，使用三維建模軟件對抽汽調節閥進行建模，三維幾何模型如圖2-1所示。根據工業汽輪機抽汽調節閥三維幾何模型提取蒸汽流體計算域并劃分網格，圖2-2為蒸汽流體計算域，從抽口流出的蒸汽用于工業用汽。
2.2網格劃分
本文中網格劃分軟件為Ansys Meshing，網格類型為非結構化網格，并在網格數量和質量上進行網格無關性的驗證。抽汽調節閥全局網格量為5500萬，閥門壁面第一層網格高度設置為0.01mm,選用SST(Shear Stress Transport)湍流模型計算，數值計算結果表明，閥門壁面y+小于30，滿足SST湍流模型要求，抽汽調節閥計算域全局網格如圖2-3所示。
2.3計算設置
抽汽調節閥CFD邊界條件如表2-1所示，進口總壓為1.383Mpa,總溫為301.2℃，出口質量流量值為26.702kg/s，抽口質量流量為2.418 kg/s。
采用ANSYS CFX商業軟件計算不同工況閥門內部蒸汽流場。為了準確計算水蒸汽實際氣體的熱物性，本文依據IAPWS-IF97公式設置并添加指定壓力、溫度范圍的水蒸汽工質，求解方程組中計入了水蒸汽狀態方程。采用迭代法計算蒸汽流動控制方程組。
計算結果與分析
3.1 抽汽調節閥內流場分析
抽汽調節閥蒸汽流場三維流線如圖3-1所示，蒸汽流動很不規則，汽流從抽汽調節閥門進口流入，流通面積的改變使蒸汽流動變得不穩定，進入閥腔室中的蒸汽分成兩部。一部分蒸汽呈螺旋形沿著抽口管道流出，用于工業用汽，一部分從抽汽調節閥出口流向中低壓級。閥腔室中的復雜流道結構、蒸汽分離渦的相互作用、氣流在抽汽調節閥擴壓管道處的摻混碰撞都影響了蒸汽流動的發展和延續，增大了蒸汽的能量耗散和壓力損失。
圖3-2和圖3-3為抽汽調節閥X-Y截面流線和壓力分布圖。坐缸閥內部結構復雜，氣流流動過程遇到固壁改變流向，出現明顯流動分離現象，形成大小不等的渦結構，增加了壓力損失和能量耗散。圖3-4和圖3-5為抽汽調節閥Y-Z截面氣流流線圖和壓力分布云圖，氣流從抽汽調節閥閥組流入到腔室時，抽汽調節閥喉部通道通流面積減小，產生節流現象，蒸汽的速度增大，壓力減小，氣流的總壓損失集中在抽汽調節閥喉部通道附近。
3.2抽汽調節閥拉筋對流場的影響
閥門腔室內安裝拉筋可增強閥門部件剛性，也可提高閥門部件的自振頻率，以避開蒸汽對閥門的激振頻率，避免引起共振現象破壞閥門部件。對原有閥門結構進行改進，沿閥腔流道布置6個拉筋結構，拉筋安裝具體位置如圖3-7所
抽汽調節閥內無拉筋和有拉筋截面流線分布如圖3-8和圖3-9所示。有拉筋和無拉筋截面最大速度均在267m/s值附近，閥腔中部上下兩個封閉拉筋阻擋了閥門兩部分蒸汽的摻混，減少了一部分的壓力損失。
結論
本文基于CFD數值模擬技術計算了典型工業汽輪機抽汽調節閥內的流場，得到以下結論：
1、抽汽調節閥中氣流很不規則，氣流在腔室中摻混碰撞、喉部通道出現節流現象。
2、整個流動過程中，蒸汽在抽汽調節閥喉部附近的速度最大，壓力最小，總壓損失集中在該區域。
3、安裝拉筋后，抽汽調節閥內流場特性變化較小，但提高了閥門部件的強度，利于汽輪機組的安全高效運行。——論文作者：張鵬飛 文謀 張偉榮 郭志華
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