1 前言
汽轮机的启停和功率的转变是通过调理阀开度的转变 ，从而改变进入汽轮机的蒸汽流量或蒸汽参数来实现的。作为汽轮机进汽机构的主要组成部分 ，调理阀气动性能的优劣会对整个汽轮机机组的经济性爆发直接的影响。另外 ，调理阀中阀体的振动征象也保存于现实的运行中 ，类似阀杆振动、阀杆断裂、阀座拔起等事故一经爆发1~2 ，直接影响了机组的清静事情。造成阀体振动的主要缘故原由是调理阀内汽流流动的不稳固 ，而汽流流动的不稳固又与流动的界线有亲近的关系。不对理的流动界线使流体的流动无法控制 ，流动中爆发的扰动向外扩散和一直增添 ，从而造成了汽流流动的不稳固。因此 ，无论是从经济性的角度照旧清静性的角度来思量 ，研究和剖析汽轮机调理阀的内部流场 ，优化其气动性能 ，减小流动损失和稳固汽流 ，提高调理阀的流动效率和清静性 ，最终设计出汽动性能优异的调理阀无疑有主要的工程现实意义。
2 汽轮机调理阀设计的现状
现在调理阀结构优化主要基于冷态单阀体比照试验 ，获得流量特征、卸载室特征、提升力和相对稳固性基本特征 ，从中挑选出较优的型线组合计划 ，提供定常条件下的设计依据。现实调理阀设计盘算主要依据流动相似理论、流体力学的相关原理和冷态试验数据来确定设计工况条件下几个要害部位尺寸 ，好比调理阀配合直径、阀座喉部和出口直径。古板设计要领较量简朴 ，对大部分定常流态的运行负荷仍是可靠的。
流动相似理论指出：动力相似需要模子和实物两种流动在时空相似条件下各相似准则数都相等。与通例流体机械差别 ，汽轮机调理阀内爆发非定常流动征象不但随机性强 ，并且极其玄妙和敏感。运行现场很难准确捕获爆发流固耦合征象的泉源所在 ，�；匝橛帜延谡媸抵叵植晃裙陶飨�。正是这些缘故原由 ，调理阀�；杓魄啡笔挡夂褪匝槭� ，更谈不上掌握其内部流动纪律 ，限制了相似理论的应用 ，例如Strouhal时间相似准数中参数简直定至今缺乏研究。也就是说调理阀爆发流固耦合征象所涉及的非定常流动缺乏�；杓埔�。显然 ，从模子设计、加工、试验到数据转换到真实调理阀事情状态的实物设计完成 ，整个历程不但周期长破费大 ，并且保存不少的不确定性 ，刷新调理阀设计要领是十分须要的。
3 调理阀设计的新思绪
近年来 ，随着盘算流体力学和盘算机手艺的飞速生长 ，接纳数值模拟手段对重大流动问题举行研究成为可能。数值模拟手段不但可以节约大宗的人力和资金 ，最主要的特点是可以模拟和展现调理阀真实事情在高温高压状态下时其内部流动参数的转变和漫衍纪律 ，尤其对全负荷转变规模都可以举行细节信息的获取。只管调理阀内的非定常流动数值模拟研究还达不到现实要求 ，但在设计前首先举行调理阀全工况规模的三维真实事情参数和介质的数值模拟研究不但填补了试验研究的欠缺 ，更主要的是可提供试验无法获得的数据。如为设计职员提供周全完整的流场信息 ，从而为降低流动损失、改善阀门稳固性提供思绪 ，并能展望调理阀运行实况。新的设计要领应该是先选出多种阀门型线组合计划 ，然后举行大宗的数值模拟 ，从盘算效果中获得一定量指导性依据后 ，针对差别使用要求和配汽方法再举行内部流场结构的优化 ，以完善设计。�；匝榻龆缘浞豆た龊吞粞〉姆判褪骄傩�。最终团结试验和运行数据形成完整的设计计划 ，其设计流程如图 1 所示。本思绪对完善古板设计要领不但须要 ，并且完全可行 ，既可节约大宗的试验经费 ，又可使设计水平显著提高。
基于上述思绪 ，文中将先容调理阀三维流场的数值盘算要领 ，并且对某特定工况下的调理阀流场举行数值盘算。在充分掌握阀门流动特征和细节约动信息的基础上 ，对阀内流场举行起源优化。。
4 数值盘算要领
4.1 几何结构及湍流模子
我们以厂家提供的型线阀为例 ，基本结构如图 2 所示 ，其中三维坐标的X轴为汽流入口偏向 ，Y轴为汽流出口的逆偏向 ，右手定章确定Z轴偏向。
显然 ，调理阀事情在高温高压蒸汽条件下 ，其流动为三维、可压缩、粘性湍流流动。盘算接纳三维雷诺平均守恒型Navier-Stokes方程 ，湍流模子先后选用了Realizablek-ε模子和标准k-ε模子 ，经较量 ，两者盘算效果差别不显着 ，最终选用较常用的标准k-ε湍流模子。接纳二阶差分名堂离散方程 ，用 SIMPLE 算法求解控制方程。气体状态方程盘算公式：
P=ρRTa(1+Bρ+Cρ2)
其中：P—汽体压力；ρ—汽体密度；R—汽体常数；T—汽体温度；B和C—系数。
4.2 盘算网格和界线条件
由于调理阀型腔结构重大 ，接纳分块结构化网格 ，图 3 给出了调理阀的三维盘算网格示意�；诜沤峁沟亩猿菩� ，盘算时取其一半即可 ，网格单位数约为90万。
界线条件按设计数据给定的参数 ，入口参数为：入口总压P0和总温T0 ，出口为静压P1。因调理阀外壁有保温步伐 ，以是壁面接纳绝热假定与现实有很是好的近似。对壁面周围的粘性支层的处置惩罚有两种要领 ，即低Re模子和壁面函数法。壁面函数法接纳半履历公式来反应壁面临近壁区流动的影响 ，在工程湍流的盘算中获得了较为普遍的应用。壁面函数法又可分为两种：标准壁面函数法和非平衡壁面函数法 ，本文接纳标准壁面函数法。汽流入口思量到电厂锅炉管道经由长距离运送的充分混淆后匀称进入到汽轮机 ，因此 ，盘算时调理阀入口界线汽流参数以为是匀称的 ，同时只有沿管道的轴向速率Vin。入口湍流脉动动能Kin及耗散率εin参照管流履历公式：
Kin=0.5%×V2in
εin=K3/2in 3/4Cμ/δ
式中：Cμ=0.09 ，δ—入口截面确当量半径。
5 算例剖析
据厂家提供的数据 ，调理阀的配合直径D为125mm ，阀入口总压P0为8.820MPa ，入口总温 T0为 808K。界说相对升程 L=L/D ，其中L为阀门的提升高度 ，D为阀门的配合直径。压比ε=P1/P0 ，P1为阀门的出口静压力。通过对此种型线阀在差别升程和差别压比条件下举行大宗的数值盘算 ，能够掌握阀门的整体流动特征。调理阀的流道结构主要分为3个部分：阀腔、阀碟下外貌和阀座上外貌组成的环行通道及阀座扩压通道。汽流由入口流入阀腔的较大空间后 ，流速有所减小 ，在阀腔内汽流的气动参数基本上不爆发转变 ，但当汽流一进入阀碟和阀座组成的环行通道后 ，在极其短的行程中 ，蒸汽强烈的膨胀 ，静压迅速降低 ，流速快速增大 ，尤其在中小升程。随着汽流流入阀座扩压段 ，其静压力又会缓慢的增添直至出口。数值盘算不但能够掌握调理阀的整体流动特点 ，更为主要的是它可以提供阀内流场的细节信息 ，从而使设计者能够通过对流场结构的剖析 ，找出流动不对理的问题所在 ，并适外地调解现有的阀碟或者阀座的型线 ，以抵达改善阀门通流特征 ，降低损失 ，提高阀门稳固性的目的。就本文所选取的调理阀来讲 ，当整个机组在额定工况下运行时 ，阀门的相对升程 L=28.8% ，压比 ε=0.95 ，在此工况下对调治阀流场举行数值盘算 ，其Ma漫衍如图 4 所示。
整体而言 ，此工况下汽流的流速不高 ，Ma数较小 ，气流的流动损失不大。可是在阀碟下方的局部区域内保存的低速气流 ，在这一区域内Ma数很小 ，其值缺乏0.1 ，习惯上此区域被称为空穴区�？昭ㄇ男纬墒怯捎谄饕砸欢ǖ慕嵌攘魅敕ё� ，如图 5 所示。当加速汽流进入阀座时 ，会使阀碟下部与气流脱离并在其下方形成一个空穴区。在粘性输运的作用下 ，空穴里的气体会一直被其下游的气流带走 ，这种抽吸作用会使空穴内压力下降 ，形成低压区。当空穴内汽体压力下降到一定水平时 ，它周围的汽流就会渗入进来填补空穴 ，就这样 ，空穴内的汽流一边一直地被抽吸走 ，一边又有汽流进来填补。这种抽吸行为是一种非稳态的流动 ，空穴中气压时刻在转变 ，这样就会导致作用在阀碟下部的压力也爆发脉动转变 ，进而可能引起阀体振动。别的关于阀门的通流特征来说 ，空穴区也是“无用区”。
为了有用地消除空穴区对阀门稳固流动的倒运影响 ，首先我们对图 4 所示工况的流场举行剖析 ，最直接的想法就是用实体部分填充空穴区 ，为此我们在阀碟下方延伸出一块和空穴区的形状巨细近似相同的部分。改型后的结构如图 6 所示。
对改型后的调理阀在与改型前完全相同的收支口条件下举行数值盘算。其中分面上的Ma数漫衍如图 7 所示。比照图 4 和图 7 可以发明 ，改型后的阀门整体上仍然维持低Ma数的流动特点 ，并且阀碟下方的汽流速率响应增添 ，同未改型前相比 ，Ma数由原来的最低0.05变到0.15以上 ，也就是说空穴区基本消逝。另一方面改型前后两阀门的通流量划分为 40.912kg/s 和 41.273kg/s ，可见对阀门的改型也并未影响通流能力。为此我们以为改型计划是乐成的。
以上我们用一个例子说明晰本文所提出的新的调理阀设计思绪中 ，通过数值盘算来相识内部流场的细节 ，在此基础上找到流场不对理的问题所在 ，并通过适当的调解阀门型线来优化内部流场结构 ，从而抵达提高阀门气动性能的目的 ，这也是本文所提出的新阀门设计思绪中的焦点部分。
6 竣事语
在深入剖析现有汽轮机调理阀设计要领的基础上 ，提出了新的调理阀设计思绪。在新的设计思绪中引入数值盘算的办法 ，通过数值盘算相识阀门内部的细节约动信息 ，找出流场不对理的问题所在 ，并通过适当的步伐改善和优化内部流场结构 ，从而抵达提高阀门气动性能和增强汽流稳固性的目的。在此基础上对典范工况举行模子试验 ，完成阀门的设计。
