阀门本身 结构不同的物理模型: 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 (1)主汽阀内无挡板、无滤网的主汽调节联合阀; 节流能量损失通常有两种方法:试验和数值模拟。试验因受 (2)主汽阀内有挡板、无滤网的主汽调节联合阀; 到场地和经费的限制,在实际应用中受到制约;而数值模拟 (3)主汽阀内有挡板、有滤网的主汽调节联合阙。 则随着CFD和计算机技术的飞速发展,得到广泛应用。 本文应用ANSYSICEM软件生成非结构化四面体网格, 本文所研究的某600MW超超临界机组采用的是主汽调在各计算过程中网格单元总数在160万左右。值得注意的 节联合阀,即由一个主汽阀连接两个调节阀组成。利用CFD 是,当气流进入阀碟和阀座构成的环形通道后,在极短的行 CFX 商用软件ANSYS11.0,针对额定工况下联合阀门的内 程中蒸汽参数剧烈变化,静压迅速减小,流速迅速增加,尤其 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 对于中小升程”J。因此,为了准确描述部分开启情况下此环 结构和流动特性。 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。 1物理模型与计算方法 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ANSYSCFX作为流体分析 600MW汽轮机组的调节阀运行方式有两种:单阀运行软件,对主汽调节联合阀内部的蒸汽流场进行稳态数值计 麴题庄凶运缸。望因运行用王机组投运初期6个月和启动 算。采用CFX软件本身提供的全隐式多网格耦合求解技 收稿日期:2008-12-01 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Ⅳ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: K= }矿 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 万方数据 第2期 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(Ⅱ)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。本文 计算的流场结构与文献[5]中的计算结构一致。 通过计算得到,模型A的主汽阀出口处的静压力不均匀 度为0.24%,压力损失系数为0.48。流场分布的不均匀不仅 图9模型B主汽阈截面流线图 会影响主汽阀自身运行的稳定性,同时由于主汽阀与调节阀 同时,喉部截面上速度分布不均匀的情况得到了改善, 直接相连的结构,不均匀的蒸汽来流将严霞降低调节阀的气 如图9(b)所示。在相同的进出口边界条件下。计算得到主 动性能。而且不均匀的来流还会表现出非定常特征,在某种 汽阀出口处的静压力不均匀度为0.2%,压力损失系数为 开度下将可能引发调节阀阀杆的自激振荡,造成阀杆断裂、 0.5。相对于模型A,不均匀度下降了15%,而压力损失只增 阀碟脱落等重大事故,由于篇幅所限,这里不予详细讨论。 加了5%。由此可见。挡板的存在可以有效地抑制蒸汽来流 基于此,在实际工程应用中已经对主汽阀的结构进行了改 的分离现象,使得阀门出口的流场更加均匀。虽然会在一定 进,即在腔体顶部加置分流挡板(如图7所示)以及在阀内安 程度上造成压力损失,但是影响不大,即加置挡板的结构改 装滤网(如图8所示)。 造是可行的。 2.3模型C内部流场分析 模型C是在模型占的基础上,在主汽阀腔体内安装滤 网。滤网在主蒸汽阀中的作用主要有以下两点:防止蒸汽中 的杂质通过阀门进入汽轮机,影响汽轮机的正常工作和避免 汽轮机通流部分的损坏;对蒸汽的整流作用,使蒸汽能够沿 径向均匀进入阀体,从而减小涡流损失。 实际滤网模型共有6888个孔,总通流面积达到2651 Cllrl2。在对实体模型的网格划分中,滤网上滤孔的尺寸相对 于整体模型来说太小,若滤孔的网格尺度大,很容易产生畸 形单元,影响计算精度并导致计算不收敛。若网格尺度小, 总网格数量巨大,即便使用并行计算机也难以计算。因此, 图7模型B主汽阀结构示意图 必须将滤网进行简化。在保证通流面积不变的前提下,将滤 2.2模型曰内部流场分析 网的孔径放大,增大单孔的通流面积,将原6888个孔减少至 模型曰是在模型A结构的基础上,在主汽阀腔体的顶部 1737个孔。可以预料由于计算中孔径增大、总孔数减小,将 加置分流挡板,其几何尺寸和加装的位置均采用实际运行中 使得计算的流阻比实际结构要小,流场的均匀性比实际结构 的主汽调节联合阀的数据。 要差一些。因此实际的压力损失要比数值模拟的结果要大, 图9分别给出-r模型曰主汽阀内1一l截面和喉部截面但是对于流场特性和损失机理的定性研究,影响不大。 万方数据 110 汽轮机技术 第51卷 相对于模型A来说,不均匀度下降了73.28%,而损失也增大 图10分别给出了模型C的主汽阀内部l—l截面和喉 部截面的流线分布。如图10(n)所示,蒸汽来流经过滤网上了69%。 均匀分布的小孔后进入腔体。因此,相对于无滤网时的情况 中科院工程热物理研究所曾对主汽阀滤网流动进行试 (图4(b)和图9(n)),此时腔体两侧的流场分布比较均匀,验研究,指出滤网的出现改变了阀腔中的流场分布,在一定 没有出现明显的分离现象。同时由于大部分蒸汽通过滤网 程度上抑制了“流动失稳”现象;主汽阀中滤网的存在虽然造 进入阀门腔体,只有少量蒸汽从腔体下部直接进入喉部通 成了一定的压损,但对稳定阀门内部流场具有一定的作用。 道,因此减轻了喉部附近区域汽流之间的相互撞击,使得进 从计算结果的比较可以看出,滤网大大改善了气流流动,稳 入调节阀的蒸汽流更加均匀稳定,如图lO(6)所示。 定了速度场。这一点与试验结果吻合,证明了数值模拟结果 的可信性。 3调节阀内部流场计算结果 图11、图12、图13分别为模型A、曰、C3种模型调节阀的 喉部区域蒸汽流动的速度矢量图。由于主汽阀与调节阀直 接连接,因此主汽阀出口的流场分布对于调节阀内的流场影 响很大。对于没有安装滤网的情况,即进入调节阀2的蒸汽 流很不均匀,调节阀的气动性能不理想。尤其是在喉部区 域,如图11和图12所示,可以清楚地看到在阀碟下部形成 图lo模型c主汽阀截面流线图 了漩涡。当在主汽阀内安装滤网后,进入调节阀的蒸汽流比 同样在相同的进出121条件下进行计算,结果显示此时主 较均匀,此时调节阀阀碟底部低压区内的漩涡现象得到明显 汽阀出121的静压力不均匀度为0.06%,损失系数则为0.81。 改善,如图13所示。阀门的运行更加稳定高效。 1 图l 模型A调节阀喉邵蒸汽速度矢量图 图12模型B调节阀喉部蒸汽速度矢量图图13模型C调节阀喉邵蒸汽速度矢晕图 据了解,在实际运行生产过程中,高压主汽调节联合阀 的分析研究,探讨了分流挡板和滤网对阀门内部流场稳定性 (有挡板和滤网的结构)的总压力损失系数一般在4~5之以及总压力损失的影响。同时计算分析了不同结构的主汽 间。而对模型C进行数值模拟得到的总压力损失为4.45,证阀对于调节阀运行的影响。结果表明:挡板和滤网能够改善 明计算结果是合理可信的。但是,应该注意到,理论计算值 流场的不均匀性,对于阀门的稳定运行意义重大。此外,研 要比实际运行的经验值稍低,因为计算时对滤网进行了简 究表明,高压主汽调节联合阀的大部分损失均发生在调节阀 化。而同工况下,模型A和曰的总压力损失分别为4.57和内。 4·34,可见,在主汽阀内安装挡板和滤网对于整个联合阀的 参考文献 …一’ 压力损失没有太大的影响,但是可以明显改善阀内的蒸汽流 场。需要注意的是,流动的不均匀性将直接导致阀门的气动 [1]陈洪溪,薛沐睿.亚临界和超I临界600MW机组高压调节阀组 性能变差,同时振动性能的影响更为巨大。如果发生振动失 气动特性分析[J].动力工程,1997,17(4):66—70· 稳现象,伴随振动还将发出高频噪声,各种流场参数也会随 [2]王晓峰,高春生·600MW汽轮机的阀门管理与调节特性[J]· 汽轮机技术,2003,45(2):122—123· 之产生剧烈的振荡,在实际运行中十分危险。因此在阀门的 篓茎唾氅:譬冀萎耋竺馨r三翌鎏耄的分布情况,调整∞1翟嚣曩意鬻置篡裟曩瓮乏篙譬! 结构,尽量避免汽流产生分离、涡流等现象。 =二l。”“…“”””1“8“7一”…………~ . ,。 、. [4]周子筠.汽轮机头部流场数值模拟及结构改进[D].大连:大4结论连理工大学,2006. [5]徐克鹏,蔡虎,崔永强,蒋洪德.600MW汽轮机高压联合进 本文采用数值模拟的方法,对某600MW超超临界汽轮 汽阀内部流场的数值模拟[J].工程热物理学报,2001,22(5): 机高压主汽调节联合阀在额定工况下运行的流场进行了计 555—558. 算。针对3种不同结构的主汽阀内部流场特性进行了定性 万方数据 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 作者: 董建华, 刘艳, DONG Jian-hua, LIU Yan 作者单位: 董建华,DONG Jian-hua(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨,150046), 刘艳,LIU Yan(大 连理工大学,大连,116000) 刊名: 汽轮机技术 英文刊名: TURBINE TECHNOLOGY 年,卷(期): 2009,51(2) 被引用次数: 1次 参考文献(5条) 1.陈洪溪;薛沐睿 亚临界和超临界600MW机组高压调节阀组气动特性分析 1997(04) 2.王晓峰;高春生 600MW汽轮机的阀门管理与调节特性[期刊论文]-汽轮机技术 2003(02) 3.相晓伟;毛靖儒;孙弼 汽轮机调节阀全工况三维流场特性的数值研究[期刊论文]-西安交通大学学报 2006(03) 4.周子筠 汽轮机头部流场数值模拟及结构改进[学位论文] 2006 5.徐克鹏;蔡虎;崔永强;蒋洪德 600MW汽轮机高压联合进汽阀内部流场的数值模拟[期刊论文]-工程热物理学报 2001(05) 本文读者也读过(10条) 1. 徐克鹏.蔡虎.崔永强.蒋洪德 600 MW汽轮机高压联合进汽阀内部流场的数值模拟[期刊论文]-工程热物理学报 2001,22(5) 2. 韩中合.吴琼.HAN Zhong-he.WU Qiong 600MW汽轮机主汽调节阀流动特性的数值研究[期刊论文]-汽轮机技术 2008,50(6) 3. 徐克鹏.蔡虎.崔永强.蒋洪德 大型汽轮机主汽调节阀的实验与数值分析[期刊论文]-动力工程2003,23(6) 4. 邬文睿.万津津.王炜哲.刘应征.WU Wen-rui.WAN Jin-jin.WANG Wei-zhe.LIU Ying-zheng 600MW亚临界机组主 调阀蒸汽流动损失数值分析[期刊论文]-水动力学研究与进展A辑2008,23(5) 5. 李勇.曹丽华.刘莎.LI Yong.CAO Li-hua.LIU Sha 汽轮机调节汽门数学模型的建立方法研究[期刊论文]-汽轮机 技术2008,50(4) 6. 相晓伟.毛靖儒.孙弼.XIANG Xiao-wei.MAO Jing-ru.SUN Bi 汽轮机调节阀设计的新思路[期刊论文]-热能动力 工程2006,21(3) 7. 陈晓明.马占军 减少平面密封式安全阀启闭压力差的途径[期刊论文]-液压与气动2001,1(1) 8. 相晓伟.毛靖儒.孙弼.Xiang Xiaowei.Mao Jingru.Sun Bi 汽轮机调节阀通流及损失特性研究[期刊论文]-西安 交通大学学报2006,40(7) 9. 朱碧武 汽轮发电机组调节汽阀改造[期刊论文]-设备管理与维修2007(3) 10. 王孝英.WANG XiaoYing 汽轮机调节汽阀关闭过程动力学模型研究[期刊论文]-机械强度2006,28(6) 引证文献(1条) 1.孙玉昕.刘继男.王坤.黄树红.高伟 汽轮机通流部分热-流-固耦合数值模拟计算[期刊论文]-武汉纺织大学学报 2013(3) 引用本文格式:董建华.刘艳.DONG Jian-hua.LIU Yan 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[期刊论文]-汽轮机技术 2009(2)