概述内凹型阀碟调节阀流场三维数值模拟研究

0 概述

近年，汽轮机的启停和功率的变化是通过调节阀开度的变化，改变进入汽轮机的蒸汽流量或蒸汽参数来实现的，显然调节阀内的流动特性和工作可靠性对整个汽轮机的安全经济运行有重要的影响。调节阀结构复杂，其流道为双喉喷管，内部呈现复杂的流态分布和变化规律，研究和分析汽轮机调节阀的内部流场，分析其总体性能和流场细节，并研究损失产生机理，以便能够提出优化阀碟和阀座型线的方案，提高调节阀的可靠性和经济性。

作为汽轮机配汽系统的执行机构，调节阀是目前本行业工作效率和安全性最具挖掘潜力的部分，但是我国由于缺乏先进的测试仪器和手段，针对阀门流动特性进行系统研究并不多，国外利用纹影技术进行过二维轴对称模型的可视化实验研究及三元模型试验，但是实际阀门由于流态变化诱发振动的流场并没有显示出来。迄今，工程设计中调节阀的流动特性参数主要是参照一些设计手册提供的经验公式和系数来估计，估算误差很大，阻碍了阀门质量的提高。CFD数值模拟技术为准确预测与分析阀门流动特性提供了一条有效的新途径。本文对600MW超临界汽轮机的调节阀进行了数值模拟分析，对于汽轮机调节阀的设计、运行和气动性能优化具有一定意义。

1　计算模型及网格划分

1.1　几何模型

调节阀采用2组进汽阀配汽，进汽阀阀体为主汽阀与调节汽阀合在一起的合体结构，如图1所示为阀体内流体所占据的空间几何区域。阀体保留了主控制阀、阀杆、阀碟、阀座以及进出口型线等全部原型结构。

图1 调节阀实体模型

1.2　网格划分及边界条件

图2给出了汽流流经空间几何通道的计算网格图，在喉部等关键部位进行了网格局部加密，应用Gambit网格划分软件生成调节阀非结构化网格，网格单元数约为120万，用Fluent6.2并行计算软件在曙光高速并行机上进行全三维流场计算。基本方程为三维可压N2S方程，采用非耦合求解器，应用隐式算法，定常流动。采用定比热方式进行计算，湍流模型采用标准k2ω模型，近壁面采用标准壁面函数进行处理。边界条件给定进口总压、总温和出口静压。

表1　调节阀边界条件

表1给出超临界调节阀进出口边界条件，其中蒸汽进口湍流度取3%，水力直径选取汽流入口直径250mm；出口湍流度取8%，水力直径选取汽流出口直径172mm。

图2　调节阀局部计算网格

2　计算结果分析

2.1　调节阀马赫数等值线分析

图3 调节阀汽流马赫数等值线图（100%开度）

图4 调节阀汽流马赫数等值线图（50%开度）

图5　调节阀汽流马赫数等值线图（30%开度）

图3、图4和图5分别给出了调节阀在100%、50%和30%开度下马赫数等值线图。如图所示，随着开度的降低，马赫数最大值增大，由100%开度马赫数最大值0.26增加到30%开度马赫数最大值1.4。由于阀体内较大的空间，汽流在通过阀碟和阀座构成的环型通道前，流体速度变化很小，并且具有较低的速度，随着开度的降低，通流能力下降，阀体内部大空间汽流的流速逐渐下降，马赫数由100%开度时的0.09降至30%开度时的0.03。如图所示，马赫数变化较大区域主要集中在环型通道和阀碟下方的扩压区。

在最大开度（100%）时，调节阀中心面的两侧形成较强的射流，并且不对称。在中心面的左侧（靠近主蒸汽入口侧）汽流从喉部喷出，继而形成阀座附着流；而中心面的右侧（远离主蒸汽入口侧）汽流从喉部喷射后形成较大的汽流影响区域，汽流喷射的影响区域一直延续至出口。两侧汽流进行掺混，相互影响形成了非对称汇流，形成原因为：在此开度（100%）下，阀门开度较大，左侧来流由主蒸汽阀给汽经由90°折转直接流经调节阀喉部至出口，而右侧汽流为流经调节阀杆的圆柱绕流，流动过程中汽流在较大的调节阀空间扩压，流速较低。

图6 马赫数等值线喉部放大图（30%开度）

图6给出了30%开度时马赫数等值线喉部放大图，如图6所示流体在喉部出口处形成阀座附着流，并无汽流掺混，高速流体附着于阀座壁面归功于阀碟的独特设计，阀碟下部开设缺口棱边，使汽流从阀碟表面强制分离，这种流动特性一直持续到出口，在阀碟下方至出口的扩压区域中，除靠近壁面区域的流体外，大部分流体马赫数较低，说明流经环型通道的流体并没有进行严重掺混，这样降低了流动损失。

2.2　不同工况开度下调节阀内部流动分布

图7 蒸汽阀气流流动及局部放大图（100%开度）

图8 蒸汽阀气流流动及局部放大图（50%开度）

图9 蒸汽阀气流流动及局部放大图（30%开度）

图7、图8及图9给出了不同工况开度下蒸汽阀汽流流动情况。由图可见在调节阀空间的不同大小涡系分布以及参数变化情况。在100%工况开度时，调节阀的通流能力较强，喉部至出口位置区间汽流进行掺混，此处参数变化缓和。随着开度的降低，调节阀通流能力减弱，喉部区域参数变化剧烈，但喉部出口区域流线较为清晰，沿喉部周向出口气流不进行掺混。由此能够进一步说明，阀碟的内凹型设计降低了不同开度工况时汽流掺混带来的能量损失。

3　结论

（1）阀碟与阀座组成的环型通道是决定调节阀的主控通流能力、流场特性和稳定性三项气动性能的关键部位。

（2）调节阀的阀碟采用了内凹型设计，汽流自喉部喷射后，迅速脱离阀碟，并在阀座的曲线收敛段形成附着流，避免了流经阀碟表面的周向流体的相互掺混带来的能量损失。

（3）在调节阀的喉部出口，汽流流入内凹型空间减速、扩压，阀座壁面边界层因逆压梯度作用而回流，形成阀座曲线收敛段壁面附近的涡流区。

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