[摘 要] 使用了流动分析软件对A、B两种双座调阀进行了通流分析，给出了调阀通流能力和实际流动状态，在分析流动特性对阀杆振动摩擦的影響基础上，得出了以下结论：B型调阀结构流动损失较大，流动效率低于A型调阀；两种调阀受到旋转力矩较小，但因气流冲击导致旋转，结构中应增加阀杆防转机制；A型和B型调阀的阀杆悬臂结构容易在气流力作用下产生偏向磨损，B型调阀比A型更能抗击侧向激振。
　　[关 键 词] 调节汽阀；流动汽阀；通流分析
　　[中图分类号] G718 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）02-0045-03
　　一、概述
　　进汽调节阀门是汽轮机工况调节的一个重要的组成部分，主要作用是调节汽轮机进汽流量以达到控制汽轮机运行的目的。进汽调阀必须满足一些基本的要求：可通过阀杆行程调节阀门通流截面，以控制流量；调阀阻力特别是全开时，阻力要小，以提高汽轮机效率；控制调阀开启时可根据所受到的蒸汽压力，以选择合适的伺服器；必要时，阀门应能保证关闭全部进汽道。
　　一般来说，以上四点是调阀设计必须考虑的问题，但有的时候也需要在不能完全满足四个要求时，通过取舍决定适合实际运行的设计。
　　某汽轮机进汽调节阀门在运行过程中某调阀（后称A型）磨损严重，因此采用了另外一种改型调阀的形式，后文称B型调阀。本文将通过A、B两种调阀的通流分析，给出了一定条件下的调阀内部流动的结果，并分析比较两种调阀通流的差异之处。
　　二、结构模型及边界条件
　　两种调阀均为双座单阀结构，A型调阀上座是碟型，下座为筒型。而B型调阀上座是筒形，下座也为筒形，不过下座改进有一个小平底作密封用。计算时A型调阀模型是直接从三维调阀模型中提取出来，并增加了进口段和出口段。两种调阀网格模型网格数规模下，网格经过无关性验证。
　　进汽结构阀门是由阀门通流截面积来决定通过的流量，由于不同形式的阀座的面积和结构的不同，因此只能通过几何数据，计算出行程与调阀截面积（喉部面积）之间的关系。通过曲面拟合给出了调阀截面积曲线拟合公式，并用拟合公式给出调阀升程与调阀截面积之间的曲线关系，如图1所示。
　　图1显示两个调阀升程与阀口面积大体上呈线性关系，这是因为A型调阀上阀座为蝶阀，曲线斜度较小，面积变化较为缓慢。B型调阀主体部分基本呈线性，这个与筒型阀座的特性相符合。为了比较两个调阀的通流性能，引入了开度的概念。
　　定义开度为以调阀升程为基准的无量纲参数。其公式为调阀的升程除以最大升程，取值在0到1之间。B型的调阀开启截面积与A型调阀的截面积相同时，开度相同。故图中阀门面积相同的横向直线开度相等。图1给出了计算所用的0.1～0.5的5个开度曲线。
　　同时也要指出，由于通流计算边界条件的给定一般需要进出口压力或者其中一侧为流量。通过计算和实际结合，给出了A型调阀在升程50%左右（即开度为0.5的条件下，达到实际运行最大流量附近）压力损失为10.8%。根据阀口开启压力的一般曲线形式，考虑用抛物线公式模拟阀口开启时的压力变化。在开度相同的条件下，可认为最小截面积相同，则阀门前后压力也相同。同时在阀口未开启条件下，阀后压力认为与排气压力相同。同时，给定
　　进汽压力条件，入口总压为3.7MPa，温度为390℃，并给定内壁面均为绝热，且粗糙度为0.025mm。用CFX软件分析，采用高阶精度流动格式，一阶湍流数值格式，和K-ε两方程湍流模型。
　　三、结果分析
　　两个调阀在相同截面和相同压差条件下，得到图2的流量结果。图2显示A型调阀的流量均比相同条件下B型调阀要大。而且随着开度越来越大。两个阀门结构不太一样，B型上下阀门均是筒式，进汽口子为圆周切出三个口子。在相同截面积条件下，流量依然与A型调阀有不少差距。因此，B型形式的调阀的流动损失较大，通过能力较弱，对于进汽效率较为不利。
　　为了更好地表示其流动的计算结果，结果展示重要的截面提取通过调阀中心线的竖直截面。以下结果比较的是0.5开度条件下的计算结果。图3和图4给出了开度0.5条件下的该截面上的压力分布云图。
　　截面上的压力分布显示，A型调阀压力分布较为均匀，随着气流进入阀门压力变化较为缓和。而B型调阀的压力变化更加剧烈，特别是阀口部分，出现了压力低于排气压力的区域，证明由于流过阀口喷嘴可能造成附近真空现象。
　　图5和图6给出了0.5开度条件下截面上的速度流线分布。可以看到两个阀门的流动形式有很大程度的不同。A型调阀的下阀左侧进入的蒸汽向上直喷，直到阀门上壁位置才分散卷积到不同位置，并与上阀进入蒸汽混合。上阀蒸汽沿着阀口流线型边界进入阀体，而后与下阀气流发生混合。而B型的下阀气流则直接冲向侧壁面，而后在侧壁面分成上下两支，上分支与上阀蒸汽发生混合流动，并伴随有多个涡流。从图中右侧出口段的涡流看出两种调阀蒸汽在出口段上下并不均匀。A型的主流流体已经集中在出口段中部位置，管道上下均出现了一定的回流。B型调阀出口段蒸汽明显是下部较为集中，流动还不是很稳定。从整体的涡流数量和流动形态中看出，A型的涡流范围大，流动较为稳定，通过流量较大，而B型阀口涡流较多，流动更加混乱，造成流动损失较大。从流动角度讲，上下阀座均为筒型的B型的调阀三口进入的气流相互冲击造成很大的混合损失，较为不利。
　　由于A型调阀在实际中磨损较为严重，考查调阀阀杆和阀碟部分力矩状况。图7给出了两个调阀所受的旋转力矩，其中两个调阀所受的旋转力矩均是上下震荡形式，证明在开度变化条件下，调阀由气流摩擦冲击造成的旋转方向是不同的。其次，该旋转力矩数量级在0.1N·m左右。A型调阀上部大部分阀杆没有约束，与阀杆套之间也是油润滑，摩擦力也很小，故也可能在变工况时发生转动。所以建议增加防转结构机制。
　　阀碟与阀杆是上部连接，而下部悬空，可认为悬臂梁结构，只有一端与阀壳接触。对于悬臂梁结构来说，远端容易出现梁侧偏。而筒型阀座本身与阀碟之间存在一定间隙，所以容易出现单侧接触。如果汽轮机运行工况发生变动，接触区域也会出现旋转摩擦。
　　从结构上说，A型调阀的阀杆力臂较长，产生的力矩会比较大，磨损更容易发生。如进行改进，阀杆上下均需要有约束，这样对于上下阀碟来说力臂将缩短。故建议采用阀杆贯穿上下阀盖，在上下阀盖处均有约束的结构，减少磨损，增加调阀稳定性。
　　四、结论
　　本文使用了流动分析软件对两种双座调阀进行了通流分析，给出了调阀的蒸汽流动结果和对调阀的冲击影响。得出了以下结论：
　　1.B型调阀结构流动损失较大，，流动效率低于A型调阀。
　　2.两种调阀受到旋转力矩较小，但因气流冲击导致旋转，结构中应增加阀杆防转机制。
　　3.A型和B型调阀的阀杆悬臂结构容易在气流力作用下产生偏向磨损，B型调阀比A型调阀更能抗击侧向激振。
　　参考文献：
　　[1]蔡颐年.蒸汽轮机[M].西安交通大学出版社，1981.
　　[2]相晓伟，毛靖儒，孙弼.汽轮机调节阀设计的新思路[J].热能动力工程，2006（3）.
　　[3]相晓伟，毛靖儒，孙弼，等.汽轮机调节阀全工况三维流场特性的数值研究[J].西安交通大学学报，2006（3）.
　　[4]屠珊，孙弼，毛靖儒.气流诱发调节阀杆振动的研究[J].动力工程，2004（5）.  

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