试论汽轮机调节阀的汽流激振分析与解决方法

周晶水

国电江西丰城发电有限公司检修部，江西 宜春 331100

工业汽轮机作为驱动鼓风机、压缩机、发电机及给水泵的原动机，在冶金、石化和发电领域得到了广泛使用。杭州汽轮机股份有限公司引进德国西门子公司的三系列工业汽轮机的设计、制造技术，已经生产千余台不同型号的汽轮机，满足用户的使用要求。随着我国工业的长足发展，近年来对大功率、高参数汽轮机的需求不断增加。大功率、高参数汽轮机除对调速系统稳定性有很高要求外，对调速系统的每个调速执行部件也有严格设计要求。调节阀就是调速系统重要的执行部件之一，它的工作状态好坏，直接影响汽轮机组运行稳定。近年来，个别汽轮机在运行的过程中出现调节阀振动严重的现象，危及机组的安全运行，也影响了工艺流程的正常进行[1，2]。研究表明，调节阀的振动主要是由于汽流的不稳定而诱发的。而汽流的不稳定又与流动工况和调节阀的内部结构有密切关系。本文提出了钟罩阀的阀碟类似一个钟罩扣在阀座上，阀座生出三根筋板支撑上部的导流锥，通过阀碟的上下移动改变开度实现对流量的控制，从而解决了汽轮机调节阀的汽流激振问题。

1 调节阀内流场分析

调节阀在高温高压的蒸汽条件下工作，其流动为三维、可压缩、粘性湍流流动。控制方程采用Navier-Stokes方程，湍流模型选用标准k-ε模型，工作介质为水蒸汽，热力性质参数的计算基于IAPWS—IF97。调阀升程按实际运行情况选取，相对升程8.3%。边界条件按实际运行数据给定。进口条件为，汽流总温406.6℃，总压4.31MPa；出口条件为静压3.11MPa。壁面采用绝热假定。

对建立的调节阔模型进行计算。得出了汽流在阀内的流动情况。对采用改进的钟罩阀和原溢流阀所得出的结果进行比较；并在钟罩阀的基础上，通过改变阀座的装配角度，得出不同的结果进行比较。

2 改进的钟罩阀与原溢流阀比较

已有的研究表明，调节阀内流场的变化主要体现在阀碟下端部与阀座上端部构成的渐缩通道和阀座通道固定的喷管喉部两个位置。当蒸汽流入这部分时，随着流通面积的减少，静压迅速降低，压力势能转化为动能，速度增加。在流入阀座的扩压段后，静压又会逐渐地增加至阀门出口，这种流动情境况在本次研究的两种阀内的流场数值模拟结果相吻合。

对原溢流阀进行模拟，由于调阀升程较小，调阀内的流动呈现高速的自由射流。汽流在阀碟端部出现分离，有一部分汽流上扬流向阀碟的内部空腔。并且在离进气侧的远端尤为明显。调节阀运行过程中，这部分非对称的汽流涡动不断冲刷阀碟内部，在顶端阀杆和阀碟的连接部位，汽流发生碰撞滞止，产生汽流激振，有可能诱发阀体纵向的振动。汽流的对撞、滞止造成压力的波动是诱发阀碟振动的主要原因。此外，在汽流涡团切向力及附面层流体粘性的作用下，非稳定汽流涡团还有可能带动阀碟一齐周向转动。在现场拆卸下来的阀座也发现有明显的转动磨损，与模拟结果分析结论吻合。

从钟罩阀内部流场的纵剖面图和阀碟位置的横剖面图可以看出，钟罩阀的阀座填充掉了阀碟内部的空腔，消除了原溢流阀汽流上扬的情况；其下部设计有尾锥，补充了常规调节阀阀碟下面的“空穴区”。阀座上的导流箭板抑制了涡流的形成。阀座填充块的下方尽管也存在小的涡流。但是阀座牢牢地固定在阀壳上，不会在周向和轴向产生振动。

另外，从两种阀纵剖面Ma数的分布来看，Ma数的最大值均出线在阀碟下方与阀座喉部之间的位置。钟罩阀最大Ma数为0.7936，而溢流阀的最大Ma数为0.947，明显大于前者，流动损失更太。从整个流场Ma数的分布来看，溢流阀也都大于钟罩阀。可见钟罩阀的稳定性和原溢流阀相比，得到了显著的改善。

在升程相同的情况下，蒸汽在原溢流阀和钟罩阀内通过的流量分别为58.67kg/s和42.13kg/s，这种流量减小，是由于钟罩阀的阀碟是由三块筋板固定在阀座上，这样就减少了阀的有效流通面积，使钟罩阀的通流能力有所降低，但改善流动，减小气流激振，使机组安全运行更有保证，是主要解决的问题。

钟罩阀的改进主要体现在闽座结构的改变。钟罩阀的阀座上有三根筋板，是均布在圆周上的。设计中要求装配时其中一根筋板正对进气口。本文将阀座在设计的基础上周向偏转600进行模拟计算，与原设计方案进行比较。改变后的钟罩阀流堆为42.4kg/s，与原设计方案相差不大。经过比较，在阀座偏转后，正对进气侧的流通部分存在两个明显的涡流，构成了不稳定的因素。改变后的钟罩阀内，Ma数最大值为0.925，整个流场Ma数的分布均大于原设计方案。与原溢流阀相近。可见阀座偏转后，虽然蒸汽流量相差不大。但是不稳定因素增多，并不可取。

3 结论

钟罩阀是针对原溢流阀在现场运行时出现的问题，进行具有针对性的结构改造后的产品。通过对其和原溢流阀以及改变阀座装配位置3种流动模拟计算的结果比较，得出以下结论：

1）原溢流阀阀碟内部有空腔。阀碟端部汽流会流入空腔，对阀碟造成冲击。流入空腔的汽流还伴有涡流的存在，这些都是造成阀体振动的重要原因；

2）钟罩阀的运行稳定性比原溢流阀有了显著的提高。阀座的结构改造，减少了诱发阀体振动的影响因素。尤其在小升程、小流量的控制上具有优越性；

3）钟罩阀与溢流阀相比，在相同的提升行程时，由于有效面积较小，因此流量较小；

4）钟罩阀内阀座的周向装配位置会影响汽流在阀内的流动。要求安装时，其中一根筋板正对进气口。

[1]相晓伟，毛靖儒，孙弼.汽轮机调节阀通流及损失特性研究[J].西安交通大学学报，2006，40(7).

[2]毛靖儒，屠珊，刘全恩，等.汽轮机调节阀内流动特性的试验研究[J].工程热物理学报，2002，23(6).