0 前言
   汽輪機(jī)進(jìn)氣機(jī)構(gòu)通過改變進(jìn)氣輪機(jī)的蒸汽流量或流量參數(shù)，從而改變其功率或轉(zhuǎn)速，以滿足不同工況的需要。調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)性能和安全性能作為汽輪機(jī)進(jìn)氣機(jī)構(gòu)的重要組成部分，將直接影響整個(gè)汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，因此調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)一直受到設(shè)計(jì)師的重視1。調(diào)節(jié)閥腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受研究手段限制，長期以來以理論計(jì)算和試驗(yàn)研究為主要研究手段。由于調(diào)節(jié)閥在不同的開啟位置，其通流面積不是常數(shù)，閥后壓力隨閥開口變化，關(guān)系復(fù)雜，難以通過理論計(jì)算準(zhǔn)確獲得閥流量，部分文獻(xiàn)給出的經(jīng)驗(yàn)曲線通常針對(duì)特定的閥類型，其通用性有限，精度和準(zhǔn)確性往往難以滿足要求2；雖然通過試驗(yàn)研究可以得到閥門的整體性能，如流量升降曲線，改進(jìn)力曲線，改進(jìn)力曲線的實(shí)際工作狀態(tài)，但很難理解閥門內(nèi)部的不確定性。
   近年來，隨著流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算（CFD）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有可能通過數(shù)值模擬手段研究其內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)。數(shù)值模擬手段不僅可以節(jié)省大量的人力和資金，還可以模擬和捕捉調(diào)節(jié)閥真實(shí)工作條件下內(nèi)部流場和參數(shù)的變化和分布規(guī)律，使設(shè)計(jì)師和研究人員對(duì)深入地了解內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)，改善內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，減少流動(dòng)損失，最終提高閥門的調(diào)節(jié)特性和穩(wěn)定性4。
   1 研究對(duì)象
   本文以某型汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬手段進(jìn)行研究。為滿足發(fā)電機(jī)組額定參數(shù)啟動(dòng)時(shí)流量微調(diào)的要求，本文采用梨形閥結(jié)構(gòu)，如圖1所示。閥門開度小時(shí)，流量變化曲率小，工況低時(shí)容易調(diào)節(jié)流量。

圖1 調(diào)節(jié)閥示意圖

   2 閥門特性計(jì)算
   長期以來，對(duì)于調(diào)節(jié)閥的研究以試驗(yàn)研究為主，通過試驗(yàn)得到特定閥門型線的流量系數(shù)、彭臺(tái)門系數(shù)等參數(shù)，最終得到閥門的流量特性。而針對(duì)本文設(shè)計(jì)的閥門，設(shè)計(jì)者采用數(shù)值模擬手段來代替試驗(yàn)過程，得到系統(tǒng)詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果，再結(jié)合理論計(jì)算，最終得到閥門特性。
   2. 幾何計(jì)算
   幾何參數(shù)包括：閥碟半徑R1；R1圓心距軸心Y；兩個(gè)圓心的水平距離b；閥座半徑R；升程L，如圖2所示。

   
圖2 閥門幾何參數(shù)

   間隙距離

   
   夾角

   
   軸心間隙距

   
   調(diào)節(jié)閥喉面積

   
   在L取不同值時(shí)，即不同開度下，計(jì)算出閥門喉部面積，可得到升程－喉部面積關(guān)系：
   （1）
   如圖3所示，閥門開度小時(shí)，喉部面積小，增速慢，有利于小流量的調(diào)節(jié)和控制。
   2.二 臨界流量計(jì)算
   當(dāng)已知閥結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，其流量Qv取決于閥前參數(shù)p0、v0，閥后壓力p1.閥門在不同升程過程中的喉部面積Fv，閥門流量公式：
   （2）
   式中，Φ為閥門流量系數(shù)；βv彭臺(tái)門系數(shù)。
   當(dāng)閥門開度發(fā)生變化時(shí)，中喉區(qū)Fv彭臺(tái)門系數(shù)βv所有這些都發(fā)生了變化，因此很難通過公式（2）找到其流量Qv。

圖3 升程-喉部面積曲線

   梨形閥的臨界壓比與縮放噴嘴相似，與閥門喉部面積和出口面積相比f臨界壓比公式為：
   （3）
   當(dāng)壓時(shí)，通過閥門的蒸汽處于臨界流量，此時(shí)閥門流量為臨界流量Qvcr，彭臺(tái)門系數(shù)βv=1；當(dāng)壓比ε當(dāng)閥門的蒸汽處于亞臨界流量時(shí)，閥門流量為實(shí)際流量Qv，彭臺(tái)門系數(shù)βv有關(guān)系：
   （4）
   根據(jù)上述關(guān)系類型，如果要求臨界流量Qvcr，彭臺(tái)門系數(shù)βv，即可找出閥門實(shí)際流量Qv。
   若閥前參數(shù)p0、v保持不變，當(dāng)p1小時(shí)()，閥門可達(dá)臨界流量Qvcr。換句話說，只要出口壓力小于一定壓力，閥門流量就會(huì)達(dá)到恒定值。此時(shí)，減少出口壓力流量不會(huì)改變。此時(shí)，流量為臨界流量。這是正確的CFD模擬相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)于不同開度的閥門模型，保持入口邊界條件不變，調(diào)整出口壓力，直到壓力繼續(xù)減少流量不變化，可獲得閥門的臨界流量，在不同開度獲得臨界流量后，相關(guān)（5），如圖4所示。
   （5）

圖4 升程-臨界流量曲線

   2.3 彭臺(tái)門系數(shù)計(jì)算
   彭臺(tái)門系數(shù)表示閥門實(shí)際流量與臨界流量之間的關(guān)系，即不同壓力比下流量的變化，因此彭臺(tái)門系數(shù)是壓力比函數(shù)。當(dāng)閥門前參數(shù)保持不變時(shí)，彭臺(tái)門系數(shù)是閥門后壓力函數(shù)。由于彭臺(tái)門系數(shù)的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式只能針對(duì)特定類型線的閥門，因此本文通過CFD求解數(shù)值模擬法βv?？梢哉J(rèn)為彭臺(tái)門系數(shù)只是壓力函數(shù)，所以保持閥門模型開度不變，入口邊界條件不變，調(diào)整出口壓力，分別找到不同壓力下的閥門流量，流量與開度下的臨界流量，即關(guān)系（6），如圖5所示。
   （6）

圖5 閥后壓力-彭臺(tái)門系數(shù)曲線

   2.4 流量升程計(jì)算
   根據(jù)弗留格爾公式流過調(diào)節(jié)閥后噴嘴的流量
   （7）
   式中，Qc、Qcp額定工況下噴嘴變工和流量；p1、p1p額定工況下噴嘴前變工和壓力；p2、p2p分級(jí)后變工條件和額定工況時(shí)的壓力；背壓p2、p2p很小時(shí)，可以近似地認(rèn)為

   
   可得關(guān)系式:
   （8）
   根據(jù)連續(xù)方程，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量等于噴嘴流量，即Qv=Qc，閥后壓力與調(diào)節(jié)閥流量的關(guān)系：
   （9）
   根據(jù)之前的收入Qv=Qvcrβv，βv=f（p1)可獲得關(guān)系式：
   （10）
   如圖6所示，即不同臨界流量對(duì)應(yīng)的實(shí)際流量。根據(jù)之前的升程-臨界流量關(guān)系Qvcr=f（L），閥門升程-流量關(guān)系式：
   （11）

圖6 實(shí)際流量-臨界流量曲線

   如圖7所示，根據(jù)噴嘴流量公式
   （12）
   當(dāng)噴嘴達(dá)到額定工況時(shí)，流量處于臨界狀態(tài)Qc此時(shí)，噴嘴可以通過的最大流量Qv=Qc'，該值為Qv－L此時(shí)，閥門的極限值不會(huì)增加流量。

圖7 升程-實(shí)際流量曲線

   3 結(jié)論
   汽輪機(jī)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的閥門調(diào)節(jié)特性在整個(gè)機(jī)組的調(diào)節(jié)和運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用。結(jié)合調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)尺寸和閥后噴嘴流量的計(jì)算，通過理論公式的推導(dǎo)和數(shù)值模擬方法獲得了調(diào)節(jié)閥的臨界流量和彭臺(tái)門系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，從而獲得了閥門的流量特性。
   以往調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)和計(jì)算，無論是理論計(jì)算還是試驗(yàn)研究，都無法準(zhǔn)確掌握汽輪機(jī)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性和流場細(xì)節(jié)。CFD隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，利用數(shù)值模擬法取代測試已成為當(dāng)今工程設(shè)計(jì)的趨勢。本文通過理論計(jì)算和CFD結(jié)合數(shù)值模擬，提供了新的閥門設(shè)計(jì)理念，獲得了高精度的閥門特性曲線，為汽輪機(jī)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的研究做出了一定的貢獻(xiàn)。
   參考文獻(xiàn)
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