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1 前言
汽(qi)輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)啟停和(he)功率的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)是通過調節閥(fa)開(kai)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，從而改變(bian)進(jin)入汽(qi)輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)流(liu)(liu)(liu)(liu)量或蒸(zheng)(zheng)汽(qi)參數來實現的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。作(zuo)為汽(qi)輪(lun)機(ji)進(jin)汽(qi)機(ji)構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)重要(yao)(yao)組成(cheng)部分(fen)，調節閥(fa)氣(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)好壞會對整個汽(qi)輪(lun)機(ji)機(ji)組的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)經濟性(xing)產(chan)生直接的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響。另外(wai)，調節閥(fa)中(zhong)閥(fa)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)現象也存在于實際(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)運行中(zhong)，類(lei)似閥(fa)桿振(zhen)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)、閥(fa)桿斷裂(lie)、閥(fa)座拔起等事故曾經發生1~2，直接影響了(le)機(ji)組的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)安全(quan)工作(zuo)。造成(cheng)閥(fa)體振(zhen)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)(yao)原因(yin)是調節閥(fa)內汽(qi)流(liu)(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)穩定，而汽(qi)流(liu)(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)穩定又與流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)(bian)界有(you)密切的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系。不(bu)(bu)(bu)合理的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)邊(bian)(bian)界使(shi)流(liu)(liu)(liu)(liu)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)無法(fa)控制，流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)中(zhong)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擾動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)向外(wai)擴(kuo)散和(he)不(bu)(bu)(bu)斷增(zeng)長，從而造成(cheng)了(le)汽(qi)流(liu)(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)穩定。因(yin)此，無論是從經濟性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)角度還(huan)是安全(quan)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)角度來考慮，研究(jiu)和(he)分(fen)析汽(qi)輪(lun)機(ji)調節閥(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)內部流(liu)(liu)(liu)(liu)場，優化(hua)(hua)其氣(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)性(xing)能(neng)(neng)，減小流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)損失和(he)穩定汽(qi)流(liu)(liu)(liu)(liu)，提高調節閥(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)效率和(he)安全(quan)性(xing)，最終設計出(chu)汽(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)性(xing)能(neng)(neng)良好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)調節閥(fa)無疑(yi)有(you)重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)工程實際(ji)意(yi)義。

2 汽輪機調節閥設計的現狀
目前調節閥(fa)結構(gou)優化主要基于冷(leng)(leng)態(tai)單(dan)閥(fa)體對(dui)比(bi)試驗，獲(huo)得流(liu)量(liang)特(te)性(xing)(xing)、卸載室特(te)性(xing)(xing)、提升力(li)和(he)相對(dui)穩(wen)定性(xing)(xing)基本特(te)性(xing)(xing)，從中挑選出(chu)較優的(de)型線組合方案(an)，提供定常(chang)條件下(xia)的(de)設計(ji)(ji)(ji)依(yi)據(ju)。實際調節閥(fa)設計(ji)(ji)(ji)計(ji)(ji)(ji)算主要依(yi)據(ju)流(liu)動相似理論、流(liu)體力(li)學(xue)的(de)相關原理和(he)冷(leng)(leng)態(tai)試驗數據(ju)來確(que)定設計(ji)(ji)(ji)工(gong)況條件下(xia)幾(ji)個(ge)關鍵(jian)部(bu)位尺(chi)寸(cun)，比(bi)如調節閥(fa)配(pei)合直徑、閥(fa)座(zuo)喉部(bu)和(he)出(chu)口直徑。傳統設計(ji)(ji)(ji)方法比(bi)較簡(jian)單(dan)，對(dui)大部(bu)分定常(chang)流(liu)態(tai)的(de)運行負(fu)荷仍是可靠的(de)。

流動相(xiang)似(si)理(li)論(lun)指出：動力相(xiang)似(si)需要(yao)模(mo)(mo)型(xing)和實物(wu)(wu)兩種流動在時(shi)空相(xiang)似(si)條件下各相(xiang)似(si)準(zhun)則數都相(xiang)等。與常(chang)(chang)規(gui)流體機械(xie)不同，汽輪機調節(jie)閥內產生(sheng)非定(ding)(ding)常(chang)(chang)流動現(xian)象(xiang)(xiang)(xiang)不僅隨(sui)機性強，而且極其微妙和敏(min)感(gan)。運行(xing)現(xian)場(chang)很難準(zhun)確(que)捕獲發生(sheng)流固耦合現(xian)象(xiang)(xiang)(xiang)的(de)根(gen)源所在，模(mo)(mo)化試(shi)(shi)驗(yan)又難于真實重現(xian)不穩定(ding)(ding)現(xian)象(xiang)(xiang)(xiang)。正是(shi)這些(xie)原因，調節(jie)閥模(mo)(mo)化設(she)(she)計(ji)欠缺(que)實測和試(shi)(shi)驗(yan)數據，更談不上掌握其內部流動規(gui)律，限(xian)制(zhi)了(le)相(xiang)似(si)理(li)論(lun)的(de)應用，例如 Strouhal 時(shi)間相(xiang)似(si)準(zhun)數中參數的(de)確(que)定(ding)(ding)至今缺(que)乏(fa)研究。也就(jiu)是(shi)說調節(jie)閥發生(sheng)流固耦合現(xian)象(xiang)(xiang)(xiang)所涉(she)及的(de)非定(ding)(ding)常(chang)(chang)流動缺(que)乏(fa)模(mo)(mo)化設(she)(she)計(ji)方法(fa)。顯然(ran)，從模(mo)(mo)型(xing)設(she)(she)計(ji)、加(jia)工(gong)、試(shi)(shi)驗(yan)到數據轉換到真實調節(jie)閥工(gong)作(zuo)狀態(tai)的(de)實物(wu)(wu)設(she)(she)計(ji)完(wan)成，整(zheng)個過(guo)程不僅周期長花費(fei)大(da)，而且存在不少的(de)不確(que)定(ding)(ding)性，改進調節(jie)閥設(she)(she)計(ji)方法(fa)是(shi)十(shi)分必要(yao)的(de)。

3 調節閥設計的新思路
近(jin)年來，隨著(zhu)計(ji)算(suan)流(liu)體力學(xue)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)技術的(de)(de)(de)飛速(su)發(fa)展(zhan)，采用數(shu)(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)手段對復雜流(liu)動問題(ti)進(jin)行(xing)(xing)(xing)研究(jiu)成為(wei)(wei)可(ke)(ke)(ke)(ke)能。數(shu)(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)手段不僅(jin)可(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)節約大量(liang)的(de)(de)(de)人力和(he)資金，最重要(yao)的(de)(de)(de)特點是(shi)可(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)和(he)展(zhan)現調(diao)節閥真實(shi)工作(zuo)在高溫高壓狀(zhuang)態(tai)下時其內(nei)(nei)部(bu)(bu)流(liu)動參數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)變化和(he)分布(bu)規(gui)律，尤其對全負荷變化范圍(wei)都可(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)進(jin)行(xing)(xing)(xing)細節信息的(de)(de)(de)獲取。盡管(guan)調(diao)節閥內(nei)(nei)的(de)(de)(de)非定(ding)常流(liu)動數(shu)(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)研究(jiu)還達不到(dao)實(shi)際(ji)要(yao)求(qiu)，但在設(she)計(ji)前首先進(jin)行(xing)(xing)(xing)調(diao)節閥全工況(kuang)范圍(wei)的(de)(de)(de)三維(wei)真實(shi)工作(zuo)參數(shu)(shu)(shu)和(he)介質(zhi)的(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)研究(jiu)不僅(jin)彌(mi)補了(le)試驗研究(jiu)的(de)(de)(de)短缺(que)，更重要(yao)的(de)(de)(de)是(shi)可(ke)(ke)(ke)(ke)提供(gong)試驗無(wu)法(fa)獲得(de)的(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)據(ju)。如(ru)為(wei)(wei)設(she)計(ji)人員提供(gong)全面(mian)完(wan)(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)流(liu)場信息，從而(er)為(wei)(wei)降低流(liu)動損失、改(gai)善閥門(men)穩定(ding)性(xing)(xing)提供(gong)思路(lu)，并能預測調(diao)節閥運行(xing)(xing)(xing)實(shi)況(kuang)。新的(de)(de)(de)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)應(ying)該是(shi)先選出多種閥門(men)型(xing)線(xian)組合方(fang)案，然(ran)后進(jin)行(xing)(xing)(xing)大量(liang)的(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)，從計(ji)算(suan)結(jie)果中獲得(de)一定(ding)量(liang)指(zhi)導性(xing)(xing)依據(ju)后，針(zhen)對不同使(shi)用要(yao)求(qiu)和(he)配汽(qi)方(fang)式(shi)再(zai)進(jin)行(xing)(xing)(xing)內(nei)(nei)部(bu)(bu)流(liu)場結(jie)構的(de)(de)(de)優(you)化，以(yi)完(wan)(wan)善設(she)計(ji)。模(mo)化試驗僅(jin)對典型(xing)工況(kuang)和(he)挑選的(de)(de)(de)閥門(men)型(xing)式(shi)進(jin)行(xing)(xing)(xing)。最終結(jie)合試驗和(he)運行(xing)(xing)(xing)數(shu)(shu)(shu)據(ju)形(xing)成完(wan)(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)設(she)計(ji)方(fang)案，其設(she)計(ji)流(liu)程(cheng)如(ru)圖 1 所示。本思路(lu)對完(wan)(wan)善傳統設(she)計(ji)方(fang)法(fa)不僅(jin)必要(yao)，而(er)且(qie)完(wan)(wan)全可(ke)(ke)(ke)(ke)行(xing)(xing)(xing)，既可(ke)(ke)(ke)(ke)節省大量(liang)的(de)(de)(de)試驗經費，又可(ke)(ke)(ke)(ke)使(shi)設(she)計(ji)水平顯著(zhu)提高。

圖 1 調節閥新設(she)計思路(lu)的流程圖

基于上述思路(lu)，文中將(jiang)介紹調節閥(fa)三維流場(chang)的(de)數值計算(suan)方法，并且對某特定工(gong)況下的(de)調節閥(fa)流場(chang)進行數值計算(suan)。在充分掌握閥(fa)門(men)流動特性和(he)細(xi)節流動信息(xi)的(de)基礎上，對閥(fa)內流場(chang)進行初步優化。。

4 數值計算方法
4.1 幾何(he)結(jie)構(gou)及湍流模(mo)型

我們以廠家提(ti)供的型線閥為例，基(ji)本結構如(ru)圖(tu) 2 所示，其中三維坐標的 X 軸(zhou)(zhou)為汽流(liu)進口方向(xiang)，Y 軸(zhou)(zhou)為汽流(liu)出口的逆方向(xiang)，右手定則確定 Z 軸(zhou)(zhou)方向(xiang)。

圖 2 汽輪機(ji)調節閥結構示意圖

顯然，調(diao)節閥工作(zuo)在高(gao)溫高(gao)壓蒸汽條件下，其流(liu)(liu)動為(wei)三維(wei)、可壓縮、粘性湍流(liu)(liu)流(liu)(liu)動。計(ji)算采(cai)用(yong)(yong)三維(wei)雷諾平均守恒型(xing)(xing)(xing) Navier-Stokes 方程(cheng)，湍流(liu)(liu)模(mo)型(xing)(xing)(xing)先后選用(yong)(yong)了 Realizablek-ε 模(mo)型(xing)(xing)(xing)和標準 k-ε 模(mo)型(xing)(xing)(xing)，經(jing)比較(jiao)，兩者計(ji)算結(jie)果(guo)差別不明顯，最(zui)終選用(yong)(yong)較(jiao)常用(yong)(yong)的標準 k-ε 湍流(liu)(liu)模(mo)型(xing)(xing)(xing)。采(cai)用(yong)(yong)二階差分格式離散(san)方程(cheng)，用(yong)(yong) SIMPLE 算法求解控(kong)制方程(cheng)。氣體(ti)狀態方程(cheng)計(ji)算公(gong)式：

P=ρRTa(1+Bρ+Cρ2)

其中：P—汽(qi)體(ti)壓力(li)；ρ—汽(qi)體(ti)密度；R—汽(qi)體(ti)常數；T—汽(qi)體(ti)溫度；B 和 C—系數。

4.2 計算網格和邊界條件

由于(yu)調(diao)節閥型腔結(jie)(jie)構(gou)復雜，采(cai)用分塊(kuai)結(jie)(jie)構(gou)化網(wang)格，圖(tu) 3 給出了調(diao)節閥的三(san)維計(ji)算網(wang)格示意。基(ji)于(yu)閥門(men)結(jie)(jie)構(gou)的對稱性，計(ji)算時(shi)取其(qi)一(yi)半即可，網(wang)格單元(yuan)數約為 90 萬。

圖(tu) 3 調節閥(fa)的三維計算網(wang)格(ge)

邊界條件(jian)按(an)設(she)計(ji)數(shu)(shu)據給定(ding)的(de)(de)參(can)(can)數(shu)(shu)，進口(kou)(kou)(kou)參(can)(can)數(shu)(shu)為：進口(kou)(kou)(kou)總(zong)壓(ya) P0 和總(zong)溫 T0，出口(kou)(kou)(kou)為靜(jing)壓(ya) P1。因調(diao)節閥外(wai)壁(bi)(bi)有保溫措施，所以壁(bi)(bi)面(mian)采用(yong)(yong)絕熱假定(ding)與實(shi)際有非常好的(de)(de)近似。對壁(bi)(bi)面(mian)附近的(de)(de)粘性支層的(de)(de)處理有兩種(zhong)方法(fa)，即低(di) Re 模型和壁(bi)(bi)面(mian)函(han)(han)數(shu)(shu)法(fa)。壁(bi)(bi)面(mian)函(han)(han)數(shu)(shu)法(fa)采用(yong)(yong)半(ban)經(jing)驗公(gong)式來反映壁(bi)(bi)面(mian)對近壁(bi)(bi)區流(liu)(liu)(liu)動(dong)的(de)(de)影響，在工程湍(tuan)流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)計(ji)算(suan)中得到(dao)了較為廣(guang)泛的(de)(de)應用(yong)(yong)。壁(bi)(bi)面(mian)函(han)(han)數(shu)(shu)法(fa)又(you)可分為兩種(zhong)：標準(zhun)(zhun)壁(bi)(bi)面(mian)函(han)(han)數(shu)(shu)法(fa)和非平衡壁(bi)(bi)面(mian)函(han)(han)數(shu)(shu)法(fa)，本文采用(yong)(yong)標準(zhun)(zhun)壁(bi)(bi)面(mian)函(han)(han)數(shu)(shu)法(fa)。汽(qi)(qi)流(liu)(liu)(liu)進口(kou)(kou)(kou)考慮(lv)到(dao)電(dian)廠(chang)鍋爐管道經(jing)過長距離輸送的(de)(de)充(chong)分混合后均(jun)(jun)勻進入到(dao)汽(qi)(qi)輪機，因此，計(ji)算(suan)時(shi)調(diao)節閥進口(kou)(kou)(kou)邊界汽(qi)(qi)流(liu)(liu)(liu)參(can)(can)數(shu)(shu)認為是均(jun)(jun)勻的(de)(de)，同時(shi)只有沿管道的(de)(de)軸向(xiang)速度 Vin。進口(kou)(kou)(kou)湍(tuan)流(liu)(liu)(liu)脈動(dong)動(dong)能Kin及耗(hao)散率εin參(can)(can)照管流(liu)(liu)(liu)經(jing)驗公(gong)式：

Kin = 0.5%×V2in

εin = K3/2in 3/4Cμ/δ

式中：Cμ=0.09，δ—進口截面的(de)當量半徑。

5 算例分析
據廠家提(ti)供的(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)據，調節(jie)閥(fa)(fa)的(de)(de)(de)配(pei)合直(zhi)徑 D 為 125mm，閥(fa)(fa)進(jin)(jin)(jin)口總壓(ya)(ya) P0 為 8.820MPa，進(jin)(jin)(jin)口總溫 T0為 808K。定義(yi)相對(dui)(dui)升程(cheng) L=L/D，其(qi)(qi)中(zhong) L 為閥(fa)(fa)門(men)的(de)(de)(de)提(ti)升高(gao)度(du)，D 為閥(fa)(fa)門(men)的(de)(de)(de)配(pei)合直(zhi)徑。壓(ya)(ya)比(bi) ε=P1/P0，P1 為閥(fa)(fa)門(men)的(de)(de)(de)出口靜(jing)壓(ya)(ya)力。通(tong)(tong)過對(dui)(dui)此(ci)種型(xing)線閥(fa)(fa)在(zai)不(bu)同(tong)升程(cheng)和不(bu)同(tong)壓(ya)(ya)比(bi)條件下(xia)(xia)進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)大量(liang)的(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)值(zhi)(zhi)計算，能夠掌握(wo)(wo)閥(fa)(fa)門(men)的(de)(de)(de)整(zheng)體流(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)特(te)性。調節(jie)閥(fa)(fa)的(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)道(dao)結構(gou)主要分(fen)為 3 個(ge)(ge)部(bu)分(fen)：閥(fa)(fa)腔、閥(fa)(fa)碟(die)下(xia)(xia)表(biao)面(mian)和閥(fa)(fa)座上表(biao)面(mian)組(zu)成的(de)(de)(de)環行(xing)(xing)通(tong)(tong)道(dao)及閥(fa)(fa)座擴壓(ya)(ya)通(tong)(tong)道(dao)。汽(qi)(qi)流(liu)(liu)(liu)由(you)進(jin)(jin)(jin)口流(liu)(liu)(liu)入(ru)閥(fa)(fa)腔的(de)(de)(de)較(jiao)大空(kong)間后(hou)，流(liu)(liu)(liu)速(su)有所(suo)(suo)減小(xiao)，在(zai)閥(fa)(fa)腔內汽(qi)(qi)流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)(de)氣動(dong)(dong)參數(shu)(shu)(shu)基本(ben)上不(bu)發生變化，但當汽(qi)(qi)流(liu)(liu)(liu)一進(jin)(jin)(jin)入(ru)閥(fa)(fa)碟(die)和閥(fa)(fa)座構(gou)成的(de)(de)(de)環行(xing)(xing)通(tong)(tong)道(dao)后(hou)，在(zai)極其(qi)(qi)短的(de)(de)(de)行(xing)(xing)程(cheng)中(zhong)，蒸汽(qi)(qi)劇烈的(de)(de)(de)膨脹，靜(jing)壓(ya)(ya)迅速(su)降(jiang)低(di)，流(liu)(liu)(liu)速(su)快(kuai)速(su)增大，尤其(qi)(qi)在(zai)中(zhong)小(xiao)升程(cheng)。隨著汽(qi)(qi)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)入(ru)閥(fa)(fa)座擴壓(ya)(ya)段，其(qi)(qi)靜(jing)壓(ya)(ya)力又(you)會緩慢的(de)(de)(de)增加直(zhi)至出口。數(shu)(shu)(shu)值(zhi)(zhi)計算不(bu)但能夠掌握(wo)(wo)調節(jie)閥(fa)(fa)的(de)(de)(de)整(zheng)體流(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)特(te)點(dian)，更為重要的(de)(de)(de)是(shi)它可以提(ti)供閥(fa)(fa)內流(liu)(liu)(liu)場的(de)(de)(de)細節(jie)信息，從而(er)使設計者(zhe)能夠通(tong)(tong)過對(dui)(dui)流(liu)(liu)(liu)場結構(gou)的(de)(de)(de)分(fen)析，找出流(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)不(bu)合理的(de)(de)(de)問題所(suo)(suo)在(zai)，并適當地調整(zheng)現(xian)有的(de)(de)(de)閥(fa)(fa)碟(die)或者(zhe)閥(fa)(fa)座的(de)(de)(de)型(xing)線，以達(da)到改善閥(fa)(fa)門(men)通(tong)(tong)流(liu)(liu)(liu)特(te)性，降(jiang)低(di)損失，提(ti)高(gao)閥(fa)(fa)門(men)穩定性的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)。就本(ben)文(wen)所(suo)(suo)選取的(de)(de)(de)調節(jie)閥(fa)(fa)來講，當整(zheng)個(ge)(ge)機組(zu)在(zai)額(e)定工(gong)(gong)況下(xia)(xia)運行(xing)(xing)時，閥(fa)(fa)門(men)的(de)(de)(de)相對(dui)(dui)升程(cheng) L=28.8%，壓(ya)(ya)比(bi) ε=0.95，在(zai)此(ci)工(gong)(gong)況下(xia)(xia)對(dui)(dui)調節(jie)閥(fa)(fa)流(liu)(liu)(liu)場進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)數(shu)(shu)(shu)值(zhi)(zhi)計算，其(qi)(qi) Ma 分(fen)布(bu)如圖 4 所(suo)(suo)示。

圖(tu)4 L=28.8%，ε=0.95 時中分面(mian)上的 Ma 等值線圖(tu)

整體而言，此(ci)工況下汽流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)速不(bu)高(gao)，Ma 數較小，氣(qi)流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)損(sun)失不(bu)大。但是(shi)在(zai)閥(fa)(fa)碟下方的(de)(de)局部區(qu)(qu)(qu)域(yu)內(nei)存在(zai)的(de)(de)低(di)速氣(qi)流(liu)(liu)(liu)，在(zai)這一(yi)區(qu)(qu)(qu)域(yu)內(nei) Ma 數很小，其(qi)值不(bu)足 0.1，習(xi)慣上(shang)此(ci)區(qu)(qu)(qu)域(yu)被稱為(wei)空(kong)(kong)穴(xue)區(qu)(qu)(qu)。空(kong)(kong)穴(xue)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)形成是(shi)因(yin)為(wei)氣(qi)流(liu)(liu)(liu)以(yi)一(yi)定的(de)(de)角度流(liu)(liu)(liu)入閥(fa)(fa)座(zuo)，如圖 5 所示。當加速汽流(liu)(liu)(liu)進(jin)入閥(fa)(fa)座(zuo)時，會使(shi)(shi)閥(fa)(fa)碟下部與氣(qi)流(liu)(liu)(liu)脫離并在(zai)其(qi)下方形成一(yi)個(ge)空(kong)(kong)穴(xue)區(qu)(qu)(qu)。在(zai)粘(zhan)性(xing)輸運的(de)(de)作(zuo)(zuo)用下，空(kong)(kong)穴(xue)里(li)的(de)(de)氣(qi)體會不(bu)斷(duan)被其(qi)下游的(de)(de)氣(qi)流(liu)(liu)(liu)帶走，這種(zhong)抽吸(xi)作(zuo)(zuo)用會使(shi)(shi)空(kong)(kong)穴(xue)內(nei)壓(ya)力(li)下降(jiang)，形成低(di)壓(ya)區(qu)(qu)(qu)。當空(kong)(kong)穴(xue)內(nei)汽體壓(ya)力(li)下降(jiang)到(dao)一(yi)定程度時，它周圍(wei)的(de)(de)汽流(liu)(liu)(liu)就(jiu)會滲入進(jin)來填(tian)補(bu)空(kong)(kong)穴(xue)，就(jiu)這樣(yang)，空(kong)(kong)穴(xue)內(nei)的(de)(de)汽流(liu)(liu)(liu)一(yi)邊(bian)不(bu)停地被抽吸(xi)走，一(yi)邊(bian)又有汽流(liu)(liu)(liu)進(jin)來填(tian)補(bu)。這種(zhong)抽吸(xi)行為(wei)是(shi)一(yi)種(zhong)非穩態的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)，空(kong)(kong)穴(xue)中氣(qi)壓(ya)時刻在(zai)變(bian)化，這樣(yang)就(jiu)會導致作(zuo)(zuo)用在(zai)閥(fa)(fa)碟下部的(de)(de)壓(ya)力(li)也(ye)發生脈動(dong)(dong)變(bian)化，進(jin)而可能引起閥(fa)(fa)體振動(dong)(dong)。此(ci)外對于閥(fa)(fa)門的(de)(de)通(tong)流(liu)(liu)(liu)特(te)性(xing)來說，空(kong)(kong)穴(xue)區(qu)(qu)(qu)也(ye)是(shi)“無(wu)用區(qu)(qu)(qu)”。

圖 5 空穴(xue)區形成的(de)結構示意圖

為(wei)了有效地消(xiao)除空(kong)(kong)穴(xue)區對閥門穩定(ding)流(liu)動的(de)(de)不(bu)利影響(xiang)，首先我們(men)對圖 4 所示工況的(de)(de)流(liu)場(chang)進行分(fen)析，最直接的(de)(de)想法就是用實體部(bu)分(fen)填充(chong)空(kong)(kong)穴(xue)區，為(wei)此我們(men)在閥碟下方(fang)延長出一(yi)塊和空(kong)(kong)穴(xue)區的(de)(de)形狀大小近似相同(tong)的(de)(de)部(bu)分(fen)。改型后的(de)(de)結構如圖 6 所示。

圖(tu) 6 改型后的型線結構示意圖(tu)

對改型(xing)后的(de)(de)(de)調節閥在與改型(xing)前完全(quan)相(xiang)同的(de)(de)(de)進(jin)出口(kou)條件(jian)下(xia)進(jin)行數值(zhi)計(ji)算。其中(zhong)分(fen)面上的(de)(de)(de) Ma 數分(fen)布如圖(tu) 7 所示。對比(bi)圖(tu) 4 和圖(tu) 7 可以(yi)發現，改型(xing)后的(de)(de)(de)閥門(men)整體上仍然維持(chi)低(di) Ma 數的(de)(de)(de)流(liu)(liu)動(dong)特點，并且(qie)閥碟下(xia)方(fang)的(de)(de)(de)汽流(liu)(liu)速度相(xiang)應增加，同未改型(xing)前相(xiang)比(bi)，Ma 數由原來(lai)的(de)(de)(de)最低(di) 0.05 變到 0.15 以(yi)上，也就是說空(kong)穴(xue)區基本消失。另一方(fang)面改型(xing)前后兩閥門(men)的(de)(de)(de)通(tong)流(liu)(liu)量分(fen)別為(wei) 40.912kg/s 和 41.273kg/s，可見(jian)對閥門(men)的(de)(de)(de)改型(xing)也并未影響(xiang)通(tong)流(liu)(liu)能力。為(wei)此我們(men)認為(wei)改型(xing)方(fang)案是成功(gong)的(de)(de)(de)。

圖 7 改型后調節閥中分(fen)面上的 Ma 數分(fen)布

以(yi)上我(wo)們用一(yi)個例子說明了本(ben)文(wen)所提出(chu)的(de)新的(de)調節(jie)閥(fa)(fa)設計思路中，通(tong)過(guo)數(shu)值計算來了解(jie)內(nei)部(bu)流場(chang)的(de)細(xi)節(jie)，在此基(ji)礎(chu)上找到(dao)(dao)流場(chang)不(bu)合理的(de)問題所在，并(bing)通(tong)過(guo)適(shi)當的(de)調整閥(fa)(fa)門型線來優化內(nei)部(bu)流場(chang)結構，從而(er)達到(dao)(dao)提高閥(fa)(fa)門氣動性能的(de)目的(de)，這也是(shi)本(ben)文(wen)所提出(chu)的(de)新閥(fa)(fa)門設計思路中的(de)核心(xin)部(bu)分。

6 結束語
在深入分析現有汽(qi)輪機調節閥(fa)(fa)設(she)(she)計方法(fa)的(de)基礎(chu)上(shang)，提出了(le)新的(de)調節閥(fa)(fa)設(she)(she)計思(si)路。在新的(de)設(she)(she)計思(si)路中引入數(shu)值計算的(de)步驟，通(tong)過數(shu)值計算了(le)解閥(fa)(fa)門內(nei)部(bu)的(de)細節流(liu)(liu)動信息，找出流(liu)(liu)場不合(he)理的(de)問題所在，并通(tong)過適當(dang)的(de)措施(shi)改善和優(you)化內(nei)部(bu)流(liu)(liu)場結構，從而達到提高閥(fa)(fa)門氣動性能(neng)和增強汽(qi)流(liu)(liu)穩定性的(de)目的(de)。在此基礎(chu)上(shang)對(dui)典型工(gong)況進(jin)行模型試驗，最終完成閥(fa)(fa)門的(de)設(she)(she)計。

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