基于CFX仿真分析汽轮机再热蝶阀卡阀现象

    某汽轮机组是一种超临界参数和中间再热的抽气凝汽式汽轮机，再热主汽门控制中压缸的蒸汽流通，各缸通流能力都没有改变，供热抽气口设置在中压缸排气口处，再热蝶阀装在中、低压缸之间的连通管上，再热蝶阀如图1所示。在实际运行过程中，该类型机组再热蝶阀出现卡阀故障的概率较高，严重影响了机组的安全运行。

图1 再热蝶阀

    引起阀门卡阀的因素很多，就再热蝶阀而言，机械加工误差、装配误差、填料过磨损、零件锈蚀以及介质与其发生化学作用等都是造成其卡阀的原因。在出厂试验时，再热蝶阀起闭一般正常；当汽轮机处于稳态运行状态时，起闭再热蝶阀出现卡阀的概率很小；在冷态起动过程中，机组初起动，冲转到较高的转速一段时间后，起闭再热蝶阀过程常常出现卡阀。在汽轮机机组中，上述卡阀现象发生的概率最大。

    1 理论基础

    1.1 CFX流固耦合原理

    采用ANSYS　Workbench平台的CFX流固耦合分析方法进行再热蝶阀流场热力分析。流固耦合是流体与结构的耦合分析，流体流动的温度和压力作用于结构，结构将产生变形，而结构的变形又影响了流体的流道；因此是相互作用的。流固耦合分为单向流固耦合和双向流固耦合，单向流固耦合应用于流场的边界形貌改变很小，不影响流场分布的情况；双向流固耦合应用于固体结构变形比较大的情况，当流场的边界形貌发生明显变化时，需要考虑固体变形对流场的影响，两者相互作用。本文使用CFX有限元法对再热蝶阀组件进行热结构单向流固耦合分析，先计算出流场分布，然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结构上。

    1.2 再热蝶阀热力学分析

    在再热蝶阀冷起动过程中，高温蒸汽经过阀体内腔，热量通过对流传热方式从高温蒸汽传递给阀体和阀瓣等零件。当物体内部无热源时，物体内部的温度梯度可由Fourier导热微分方程表示：

    式中，T是温度；t是时间；κ是导热系数；c是比热容；ρ是材料密度。

    阀门各零件材料的比热容、热膨胀系数、泊松比与弹性模量差别不大，但导热系数比值不同。在再热蝶阀中，阀体和阀瓣的导热系数不同，导致了其温度场到达平衡的时间不同，进而产生不同的变形量，而造成卡阀。

    再热蝶阀内部温度变化时，阀体内任意微小单元将产生热变形，由于阀体的外在约束以及阀体内各部分之间的相互约束，在阀体内产生热应力，同时由于阀体的弹性引起附加的变形。热弹性力学就是研究弹性体内温度场的变化与热应力、热应变的相互关系，单元的热弹性力学基本方程为：

    式中，α_l是线膨胀系数；G是切变模量；E是弹性模量；μ是泊松比；ε_x，ε_y，ε_z分别是坐标轴x，y，z方向的正应变；γ_yz，γ_zx，γ_xy分别是3个坐标面的剪应变；σ_x，σ_y，σ_z分别是坐标轴x，y，z方向的正应力；τ_yz，τ_zx，τ_xy分别是3个坐标面的切应力。

    考虑到阀门制造和装配误差的不确定性，再热蝶阀动态行为分析结构合理地解释了工程实践中出现的问题，如再热蝶阀出厂试验时和常态时不卡阀，冷起动后某一时间段出现卡阀的概率最大，稳态时出现卡阀的概率最小，上述现象与工程实践中出现的问题相吻合。为了获得更加精确的评价效果，对再热蝶阀机构的冷起动过程进行了热结构耦合分析，得到更加详尽和可靠的数据，可支持卡阀问题的解决。

    2 数值模拟

    本文的再热蝶阀流场热力分析所用ANSYSWorkbench平台中的模块有几何建模（geometry）、流固耦合（CFX）、稳态热力分析（steady－state　ther－mal）和静力结构分析（static　structural）。共形成3套网格和边界，其中包含特殊定义的耦合边界和状态、参数，耦合软件将通过定义的耦合边界来传递耦合参数，并指挥流体和固体求解器计算，依次实现流固耦合分析。

    2.1 涡轮几何模型的建立与网格划分

    模型分为3部分：阀体、阀瓣和流道。把建立的三维模型导入CFX软件中进行非结构网格划分，为了获得较高的模拟精度，采用四面体单元，非结构化网格。按照实际的结构划分为3部分模型，固体域和流体域网格拓扑结构和节点分布如图3～图5所示。

图3 固体域网格划分（阀体）

图4 固体域网格划分（阀瓣）

图5 流体域网格划分

    2.2 流体模型边界条件设置

    用CFX软件对流场进行数值模拟，本例所选的是k－ε湍流模型。流场设置的主要步骤如下。

    1）导入几何文件。

    2）划分网格及定义单元属性。

    3）对流体的性质进行设置，选择“Air　Ideal　Gas”。

    4）流场域等边界条件：以气体作为流场介质输送介质，采用进口温度边界条件（airinlet＿temp）和进口速度边界条件（airinlet＿vel），进口温度设置为260℃，进口速度设置为65m/s。出口采用压力出口边界条件（airoutlet＿pre），出口压力设置为1MPa。壁面上采用无滑移条件的流固耦合界面的壁属性。

    2.3 固体模型边界条件设置

    在ANSYS　Workbench软件中对其结构进行CFX流固耦合分析，具体步骤如下。

    1）导入几何文件。

    2）划分网格及定义单元属性。

    3）定义阀体和阀瓣材料的弹性模量E、密度ρ及泊松比γ。

    4）添加边界约束条件，将阀体和阀瓣转动轴部分节点约束径向和轴向自由度，将阀体、阀瓣轴内壁以及阀体两端法兰设置成“Fixed　Support”。

    5）定义流固耦合壁面。

    3 仿真结果

    首先计算出流场分布，然后将其中的计算温度作为载荷加载到固体结构上，阀体内壁的温度分布如图6所示，阀瓣外壁的温度分布如图7所示。从图6和图7可以看出，阀体出口处的内壁出现温度最高点，阀体轴孔处的内壁出现温度最低点；阀瓣轴间处的外壁出现温度最高点，阀瓣轴孔处的中部外壁出现温度最低点。

图6 阀体内壁温度分布

图7 阀瓣外壁温度分布

    之后，进行稳态热力分析和静态结构分析，将CFX计算所得的温度分布加载到阀体和阀瓣上，进而得到阀体和阀瓣受热后的轴向变形（Y向），如图8所示。从图8可以看出，阀体轴孔处的变形为0.507mm，阀瓣轴孔处的变形为1.095mm。这与阀体和阀瓣的最大温度分布规律相同，阀瓣轴向变形大于阀体轴向变形，即阀门关闭时会造成卡阀。

图8 阀体组件轴向形变

    对再热蝶阀进行保温措施，仿真时在阀体外壁加载230℃保温，如图9所示。其作用有2个：1）使再热蝶阀内的物质对介质产生保温效果，使介质不会凝结或粘在阀体内部，避免阀体内部粘接造成卡阀；2）使再热蝶阀冷起动过程预热，避免其在冷起动时，阀体与阀瓣因变形不同而造成卡阀。

图9 阀体保温时的温度加载方式

    再热蝶阀保温至230℃时，阀体和阀瓣的变形云图如图10所示，阀体轴孔处的预变形为0.599mm，即阀体已达到工作时的变形量（±0.09mm），阀瓣在阀体预热的状态下起闭正常。那么，保温空载时可以正常起闭的再热蝶阀在工作时也能够正常起闭。

图10 阀体保温时的组件轴向变形

    4 结语

    本文验证了ANSYS　Workbench平台的CFX流固耦合分析方法对于再热蝶阀研究的可行性。采用单向流固耦合方法，将再热蝶阀内部流场计算所得的结果加载到固体结构中，得到了其内部的温度和变形分布情况，揭示了其工作过程中内部的变化规律。提出了对再热蝶阀保温，使其冷起动过程预热，避免冷起动的方法，可以防止卡阀。再热蝶阀数值解析的可视化结果为后续设计与结构优化提供了一定的理论参考。