前言 汽轮机头部阀门主要包括主汽阀和调节阀,通过阀门的 开度变化控制进入汽轮机的蒸汽流量,进而调整汽轮机的输 出功率。作为汽轮机配汽系统的执行机构,阀门内部的流动 损失将直接影响汽轮机的效率和出力。计算显示,高压主调 阀压损每上升l%,高压缸效率约下降0.14%…。因此,降低 阀门工作压损成为汽轮机开发研究的一项课题。阀门本身 是一个几何结构复杂的节流元件,研究阀门中的流动特性和 节流能量损失通常有两种方法:试验和数值模拟。试验因受 到场地和经费的限制,在实际应用中受到制约;而数值模拟 则随着CFD和计算机技术的飞速发展,得到广泛应用。 本文所研究的某600MW超超临界机组采用的是主汽调 节联合阀,即由一个主汽阀连接两个调节阀组成。利用CFD 商用软件ANSYS CFX 11.0,针对额定工况下联合阀门的内 部流场进行了数值模拟,旨在研究分析阀门内部复杂流场的 结构和流动特性。 1物理模型与计算方法 600MW汽轮机组的调节阀运行方式有两种:单阀运行 麴题庄凶运缸。望因运行用王机组投运初期6个月和启动 收稿日期:2008-12-01 过程,实现全周进汽,均匀加热,减少热应力,延长机组寿命。 顺序阀运行用于正常负荷,可以提高变工况的效率旧1。实际 生产中,汽轮机在额定工况下稳定运行时,调节阀就采用这 种顺序阀运行方式。此时,主汽阀门全开,调节阀1关闭,调 节阀2部分开启。因此,调节阀l的出口处无蒸汽流出,即 主汽阀提供的所有蒸汽均是通过调节阀2进入高压缸的。 为了探讨在主汽阀内加置挡板和滤网后对整个主汽调 节联合阀内部流场的影响,在数值计算过程中采用3种几何 结构不同的物理模型: (1)主汽阀内无挡板、无滤网的主汽调节联合阀; (2)主汽阀内有挡板、无滤网的主汽调节联合阀; (3)主汽阀内有挡板、有滤网的主汽调节联合阙。 本文应用ANSYS ICEM软件生成非结构化四面体网格, 在各计算过程中网格单元总数在160万左右。值得注意的 是,当气流进入阀碟和阀座构成的环形通道后,在极短的行 程中蒸汽参数剧烈变化,静压迅速减小,流速迅速增加,尤其 对于中小升程”J。因此,为了准确描述部分开启情况下此环 形通道内参数剧烈变化的流场特性,需要对阀碟和阀座间局 部区域的网格进行加密。 本文的目的在于研究稳定运行条件下阀内流场的特性, 分析流动损失的机理,因此使用ANSYS CFX作为流体分析 软件,对主汽调节联合阀内部的蒸汽流场进行稳态数值计 算。采用CFX软件本身提供的全隐式多网格耦合求解技 作者简介:董建华(1981-),女,助理工程师,现从事汽轮机内蒸汽流动数值模拟的研究工作。 万方数据 108 汽轮机技术 第51卷 术,求解定常状态下的三维可压缩一s方程。参照文 献”一1,本文湍流模型也选用标准的k一占二方程模型。尽管 标准的k一占二方程湍流模型对计算诸如具有强旋流和分离 流特征的流场会带来一定的误差,但对于定性研究流场结构 还是有帮助的。 计算采用的工质为过热干蒸汽,密度是压力和温度的函 数。联合阀门的进、出口边界条件根据额定工况的热力计算 结果给定。进口给定蒸汽的总压力和总温度(25MPa, 600),出口给定蒸汽的总流量(159.125k:g/s)。同时,本文 通过计算工业上广泛应用的压力损失系数对阀门的运行经 济性进行评估。损失系数的定义为: 其中,4P为阀门的压力降,即阀门进出121总压力之差;而P,”分别为阀门进口处蒸汽的密度和速度。压力损失系数越小, 代表阀门运行过程中能量损失越少,经济性越好。 2主汽阀内部流场计算结果分析 2.1模型A内部流场分析 图1为模型,4内部流道的网格示意图。为了便于分析 主汽阀内的流场,截取3个特征截面,如图1所示:主汽阀左 端壁附近截面(1—1截面),进汽管道中心线削面(2—2截 面)和喉部附近截面(3—3截面)。 图3模型A主汽阀中心剖面速度流线图 部分蒸汽在遇到壁面后产生漩涡;在右侧,一部分蒸汽则盘 旋着直接进入喉部通道。 (2)蒸汽进入阀门腔体后冲击阀套,在阀套E部形成明 显的圆柱绕流分离现象,如图4(a)所示,A区即为阀套上部 图1模型^内部流道网格示意图 形成的一对分离漩涡。 图2为模型A主汽阀内部三维流场的分布情况。由此 (3)在主汽阀圆形腔体的两侧区域内存在大面积的分离 图可以看出主汽阀内的蒸汽流动很复杂,包括不同程度的绕 现象。由于阀套两侧的腔体体积突然扩大,流体惯性无法使 流、分离、撞击以及漩涡等现象。 汽流贴合阀套表面曲面运动,因而形成了分离涡,即一部分 (1)蒸汽由进汽管进入主汽阀腔体的过程中,由于流道 蒸汽流会反向,向上游流动。分离由腔内壁向轴线附近发 的突然扩张导致汽流产生分离现象,如图3所示。在左侧, 展,如图4(b)所示的曰区。由于分离涡的存在,使得主汽阀 图4模型A主汽阀不同截面的流线图 董建华等:600MW超超临界汽轮机高压主汽调节联合阀内部流场的数值模拟分析109 的有效流通面积减小。同时,在蒸汽流轴向速度的带动下, 涡流的影响将会一直延伸到喉部区域,如图4(c)所示。 (4)在喉部附近区域,一部分蒸汽直接由进汽管出El盘 旋着进入喉部通道,一部分蒸汽在绕流至阀套上部后下降进 入喉部通道,这两部分蒸汽流在喉部相撞,在中心偏上的位 置产生涡流,如图5中的C区。 (5)根据图2所示,阀套两侧形成的涡流(图4(6)中的 曰区)下降进入喉部;同时,直接进入喉部的蒸汽又具有向上 的分速度,两部分汽流相互作用,导致在喉部中心区域形成 两个对称的涡流,即图5中的D区。进入扩压段后,压力升 高,速度下降,两个漩涡进一步发展。直到主汽阀出口处,两 图8模型C主汽阀结构示意图 个漩涡占据了整个出口截面,如图6所示。 的流线分布情况。将图9()中显示的流场与图4(口)中的 进行比较分析,可以看出,分流挡板的存在可以有效地干扰 圆柱绕流分离现象,使得阀套上部不再能够形成大面积的分 离漩涡。 图5喉部截面速度流线图 图6出口截匠速度流线图 综上所述,蒸汽来流在进入主汽阀后,由于各种原因形 成了不同程度的分离现象,造成了流场分布的不均匀。