张鹏飞 文谋 张伟荣 郭志华
东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳618000
摘要：汽轮机阀门的气动性能和安全性能与电厂的安全高效运行直接相关，合理设计阀门结构对提高阀门稳定性和气动性能非常关键，因而一直受到电厂和汽轮机制造厂商的重视。现阶段，主要有试验和数值模拟方法来研究阀门的气动性能。本文选取典型工业汽轮机组最常用的抽汽调节阀作为研究对象，基于CFD数值模拟技术对其蒸汽流场进行计算，并分析了该型号阀门的气动性能。
关键词：抽汽调节阀；CFD；气动性能；流场分析
Flow field analysis of typical industrial steam
turbine extraction control valve
Zhang-Peng fei, Wen-Mou, Zhang-Weirong, Guo-Zhihua
(DongFang Turbine Co.,Ltd., Deyang 618000, China)
Abstract:The aerodynamic performance and safety performance of steam turbine valves are directly related to the safe and efficient operation of power plants. Reasonable design of valve structure is very important to improve valve stability and aerodynamic performance, so it has been paid attention by power plant and steam turbine manufacturers. At present, there are mainly experimental and numerical simulation methods to study the aerodynamic performance of the valve. In this paper, the most commonly used extraction control valve of typical industrial steam turbine unit is selected as the research object and its steam flow field is calculated based on CFD numerical simulation technology and the aerodynamic performance of the valve is analyzed.
Key words: extraction control valve, CFD, aerodynamicperformance, flow field analysis
1.前言
汽轮机是一种动力机械，它不仅是现代火力发电厂的主要设备，也广泛应用于化工、冶金、船舶动力设备中。工业汽轮机中，抽汽调节阀承担着调节负荷的功能。带负荷正常运行时通过抽汽调节阀控制进入汽轮机中低压缸的蒸汽流量，进而改变其出力、转速，以适应不同工况和不同抽汽量需求。国内外学者通过实验与数值模拟方法，对汽轮机阀门的气动性能进行了大量研究。
宋风强[1]采用数值模拟方法对某汽轮机阀门不同升程（3mm和6mm）的内部流动情况进行计算，得到不同升程阀门内部的蒸汽流场，为减少气流压力损失，可采取优化阀门喉部流线、降低工质流速等方法。于静梅[2]研究了某汽轮机进汽阀的气动性能，分析了机组正常运行和不同负荷下阀门不同开启顺序两种情况的蒸汽流场特征。徐克鹏[3]等通过实验和数值模拟相结合方法，对某600MW汽轮机主调阀的流场进行了研究。结果表明：阀内蒸汽流场的压力损失主要在调节阀喉部区域，调节阀在较小开度时，喉部流场不稳定性增加，产生较大的高频噪声，蒸汽参数的分布不均匀造成了阀门部件的振动。赵玉柱[4]通过实验和数值模拟方法，对带滤网部件的汽轮机G-I阀门进行研究。研究发现：蒸汽气流在整个阀组系统中流经环形通道时，通流面积的骤减使蒸汽速度急剧增大，压力能转化成动能，节流现象明显，滤网的存在稳定了蒸汽气流的压力场。
抽汽调节阀的不稳定运行将可能导致机组负荷波动达10%额定负荷量，这不仅影响机组的安全经济运行，甚至可能造成设备损坏及人身伤亡，后果非常严重。本文以东方汽轮机有限公司典型工业汽轮机抽汽调节阀为对象，基于CFD技术数值模拟了抽汽调节阀内的蒸汽流场，得到了阀内蒸汽的气动参数分布，分析了该型号抽汽调节阀的气动性能；在原有抽汽调节阀上安装拉筋以提高部件强度，并分析了抽汽调节阀拉筋对蒸汽流场的影响。
2.计算模型、网格划分及计算设置
2.1计算模型
选取我厂工业汽轮机组最常用抽汽调节阀作为研究对象，使用三维建模软件对抽汽调节阀进行建模，三维几何模型如图2-1所示。根据工业汽轮机抽汽调节阀三维几何模型提取蒸汽流体计算域并划分网格，图2-2为蒸汽流体计算域，从抽口流出的蒸汽用于工业用汽。
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2.2网格划分
本文中网格划分软件为Ansys Meshing，网格类型为非结构化网格，并在网格数量和质量上进行网格无关性的验证。抽汽调节阀全局网格量为5500万，阀门壁面第一层网格高度设置为0.01mm,选用SST（Shear Stress Transport）湍流模型计算，数值计算结果表明，阀门壁面y+小于30，满足SST湍流模型要求，抽汽调节阀计算域全局网格如图2-3所示。
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图2-3抽汽调节阀全局网格
2.3计算设置
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抽汽调节阀CFD边界条件如表2-1所示，进口总压为1.383Mpa,总温为301.2℃，出口质量流量值为26.702kg/s，抽口质量流量为2.418 kg/s。
采用ANSYS CFX商业软件计算不同工况阀门内部蒸汽流场。为了准确计算水蒸汽实际气体的热物性，本文依据IAPWS-IF97公式设置并添加指定压力、温度范围的水蒸汽工质，求解方程组中计入了水蒸汽状态方程。采用迭代法计算蒸汽流动控制方程组。
3.计算结果与分析
3.1 抽汽调节阀内流场分析
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图3-1三维流线
抽汽调节阀蒸汽流场三维流线如图3-1所示，蒸汽流动很不规则，汽流从抽汽调节阀门进口流入，流通面积的改变使蒸汽流动变得不稳定，进入阀腔室中的蒸汽分成两部。一部分蒸汽呈螺旋形沿着抽口管道流出，用于工业用汽，一部分从抽汽调节阀出口流向中低压级。阀腔室中的复杂流道结构、蒸汽分离涡的相互作用、气流在抽汽调节阀扩压管道处的掺混碰撞都影响了蒸汽流动的发展和延续，增大了蒸汽的能量耗散和压力损失。
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图3-2和图3-3为抽汽调节阀X-Y截面流线和压力分布图。坐缸阀内部结构复杂，气流流动过程遇到固壁改变流向，出现明显流动分离现象，形成大小不等的涡结构，增加了压力损失和能量耗散。图3-4和图3-5为抽汽调节阀Y-Z截面气流流线图和压力分布云图，气流从抽汽调节阀阀组流入到腔室时，抽汽调节阀喉部通道通流面积减小，产生节流现象，蒸汽的速度增大，压力减小，气流的总压损失集中在抽汽调节阀喉部通道附近。
3.2抽汽调节阀拉筋对流场的影响
阀门腔室内安装拉筋可增强阀门部件刚性，也可提高阀门部件的自振频率，以避开蒸汽对阀门的激振频率，避免引起共振现象破坏阀门部件。对原有阀门结构进行改进，沿阀腔流道布置6个拉筋结构，拉筋安装具体位置如图3-7所示：
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抽汽调节阀内无拉筋和有拉筋截面流线分布如图3-8和图3-9所示。有拉筋和无拉筋截面最大速度均在267m/s值附近，阀腔中部上下两个封闭拉筋阻挡了阀门两部分蒸汽的掺混，减少了一部分的压力损失。
总压损失是判断阀门气动性能好坏的重要指标，总压系数定义如下式所示，式中Pin为阀门进口总压，Pout为阀门出口总压。
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本数值模拟中，抽汽调节阀无拉筋时的总压损失系数为2.96%，有拉筋时的总压损失系数为2.75%，拉筋的存在并未显著影响蒸汽流场的气动参数分布，但提高了阀门部件强度，利于汽轮机机组的安全高效运行。
4.结论
本文基于CFD数值模拟技术计算了典型工业汽轮机抽汽调节阀内的流场，得到以下结论：
1、抽汽调节阀中气流很不规则，气流在腔室中掺混碰撞、喉部通道出现节流现象。
2、整个流动过程中，蒸汽在抽汽调节阀喉部附近的速度最大，压力最小，总压损失集中在该区域。
3、安装拉筋后，抽汽调节阀内流场特性变化较小，但提高了阀门部件的强度，利于汽轮机组的安全高效运行。
参考文献
[1] 宋风强, 罗方. 汽轮机气动阀门内部流场的数值模拟与分析[J]. 东方电气评论, 2018, 32(4):29-31+36.
[2] 于静梅, 孟凡丹, 刘盼盼, 等. 600MW汽轮机组高压联合进汽阀变工况内部流场的特性分析[J]. 动力工程学报, 2014, 34(11):862-866.
[3]徐克鹏, 蔡虎, 崔永强, 等. 大型汽轮机主汽调节阀的实验与数值分析[J].动力工程, 2003, 23(6):2785-2789+2794.
[4]赵玉柱. 带滤网汽轮机调节阀的数值分析[J]. 发电与空调, 2016, 37(6):33-35.