郝震震，劉應(yīng)征，陳 倪，張立建

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240;2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

1 研究背景

近年來隨著溫室效應(yīng)帶來的問題日益突出，如何提高能源利用效率并且實(shí)現(xiàn)更少的溫室氣體的排放就成了熱門的研究課題［1］。不同于傳統(tǒng)的凝汽式電廠，熱電聯(lián)產(chǎn)電廠在利用高品位的能量進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)，也將低品位的能量供給熱用戶。一般來講，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組同熱電分供(即電網(wǎng)供電和鍋爐供熱)相比，能源利用率可提高15%～40%［2］。要實(shí)現(xiàn)可調(diào)整抽汽的熱電聯(lián)供，根據(jù)通過閥門的蒸汽容積流量的大小及閥門在汽缸上裝配位置，可以采用單座或雙座式抽汽閥，也可以采用調(diào)節(jié)蝶閥或旋轉(zhuǎn)隔板。前者受閥門和汽缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，閥門的容積流量不可能設(shè)計(jì)得很大，在汽缸上所占用的安裝位置比旋轉(zhuǎn)隔板大，并且為了配合座缸閥的安裝，要求汽缸的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，一般適用于較高壓力的工業(yè)調(diào)節(jié)抽汽;后者在汽缸中占據(jù)的位置較小，一般適用于大流量的中低壓抽汽場(chǎng)合，但其調(diào)節(jié)性能不如調(diào)節(jié)閥好［3］。

為了開發(fā)一種能夠替代旋轉(zhuǎn)隔板的抽汽機(jī)構(gòu)，同時(shí)獲得較好的調(diào)節(jié)性能，本文研究了一種新型內(nèi)置式蝶閥，該閥安裝于汽缸的通流部分，通過控制布置在閥體上4 只蝶閥的開度來控制閥前的抽汽壓力和抽汽流量。為了獲得不同開度下閥板的受力情況以及閥門本身的氣動(dòng)特性，本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法進(jìn)行研究。通過對(duì)幾種典型工況下的閥板所受氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩的分析，獲得了閥板的受力特性，從而為閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。

2 研究目標(biāo)、方法

2.1 研究目標(biāo)

1)確定幾種典型工況下抽1MPa 壓力的蒸汽時(shí)所需要的閥門開度。通過CFD 數(shù)值計(jì)算方法，選擇合適的湍流模型——k－ ε 模型［4-7］，對(duì)確定的“通流—閥門—通流”區(qū)域進(jìn)行模擬，通過計(jì)算得到閥碟開度與抽汽量之間的關(guān)系并將其繪制成曲線，從圖上找出額定抽汽壓力1 MPa 對(duì)應(yīng)的閥門開度。針對(duì)所要研究的最大抽汽量、額定抽汽量和最小冷卻流量等典型工況進(jìn)行計(jì)算后，便可確定這幾個(gè)典型工況下抽1 MPa 壓力的蒸汽時(shí)所需要的閥門開度。

2)通過計(jì)算蝶閥閥板表面壓力分布來獲取氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩;采用非穩(wěn)態(tài)湍流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算獲取蝶閥閥板上所受到的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩。

2.2 計(jì)算原理:

k－ ε 模型具體形式如公式(1)、(2)所示。

式中:k 為單位質(zhì)量湍動(dòng)能，(m2/s2);μ 為動(dòng)力黏度，(kg/ms);μt為湍流黏度，(kg/ms)，μt=Cμρ;σk為k 方程湍流模型系數(shù)，σk=1;Pk為因黏性力和浮升力而產(chǎn)生的湍流生成項(xiàng);ε 為湍流耗散率，(m2/s3);Cε1為k－ ε 方程常數(shù)，Cε1=1.44;Cε2為k－ ε 方程常數(shù)，Cε2=1.92。

式中:Pkb為浮升力生成項(xiàng)，使用不同的浮升力方程則具有不同的形式;

2.3 計(jì)算方法驗(yàn)證

計(jì)算的可信度依賴于以下兩個(gè)方面:

1)計(jì)算數(shù)值誤差的驗(yàn)證，通過不同網(wǎng)格數(shù)量計(jì)算模型的比較，最終確定計(jì)算所需最少網(wǎng)格數(shù)。

2)計(jì)算模型的誤差，往往采用實(shí)驗(yàn)的方法來確定。本文設(shè)計(jì)了一套抽汽閥組的模型氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為數(shù)值模擬的適用性提供了有力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，詳見本文第4 部分。

3 抽汽閥組通道蒸汽流動(dòng)計(jì)算

3.1 閥門開度確定

針對(duì)最大抽汽、額定抽汽和冷卻流量三種典型工況進(jìn)行計(jì)算，繪制了閥碟開度與抽汽量之間的關(guān)系曲線，分別如圖1、圖2 和圖3 所示。通過曲線插值的方法得出三種典型工況下抽出1 MPa壓力的蒸汽，閥門的開度分別為39°、58°和0°。需要指出的是，閥門開度為0°時(shí)，閥碟關(guān)閉，此時(shí)蒸汽從閥碟周圍冷卻通道流向后面的通流級(jí)，經(jīng)過計(jì)算此時(shí)閥組前的流量最小為497 t/h，方能抽出1 MPa 的蒸汽。

圖1 最大抽汽工況壓力——開度曲線圖

圖2 額定抽汽工況壓力——開度曲線圖

圖3 冷卻流量工況壓力——開度曲線圖

另外，通過計(jì)算可以獲得閥板迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力分布以及閥后腔室內(nèi)、靜葉級(jí)前的壓力梯度分布(如圖4、圖5 和圖6 所示)，這對(duì)評(píng)估靜葉級(jí)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是非常重要的。

圖4 最大抽汽工況下閥1、閥2 中截面上壓力分布圖

圖5 額定抽汽工況下閥1、閥2 中截面上壓力分布圖

圖6 冷卻流量工況下閥1、閥2 中截面上壓力分布圖

3.2 閥板受力分析

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，閥板、閥軸的受力情況將直接影響閥板的材料選型、型線的確定、所配執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型和中間驅(qū)動(dòng)桿件的設(shè)計(jì)。所以，有必要通過流場(chǎng)分析來確定閥板上的壓力，進(jìn)而通過積分獲得閥板所受的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩。計(jì)算結(jié)果見表1、表2 和表3。通過流固耦合計(jì)算可以獲得三個(gè)典型工況下閥板的瞬態(tài)應(yīng)力分布，計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8 和圖9。從計(jì)算結(jié)果可以看出，閥板受力隨著閥碟開度的增大而有所減小，在額定抽汽工況下，閥板所受的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩相對(duì)較小，有利于閥組長期在額定工況下運(yùn)行。

表1 最大抽汽工況閥板所受氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩

表2 額定抽汽工況下蝶閥閥板所受氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩

表3 冷去流量工況下蝶閥閥板所受氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩

圖7 最大抽汽工況瞬態(tài)閥板應(yīng)力分布

圖8 額定抽汽工況瞬態(tài)閥板變形量

圖9 冷卻流量工況瞬態(tài)閥板變形量

4 閥組模型的氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析

為了驗(yàn)證上述計(jì)算中湍流模型的精度，本文設(shè)計(jì)了1∶5 的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以常溫下空氣為工質(zhì)［8］，在實(shí)驗(yàn)中:

1)使用壓力敏感涂料測(cè)量技術(shù)(PSP)測(cè)量各閥板上的壓力分布［9-11］;

2)使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)測(cè)量模型內(nèi)流場(chǎng)。

同時(shí)，本文采用CFD 數(shù)值模擬的方法，建立與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?∶1 的模型進(jìn)行流場(chǎng)分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖10、圖11 分別給出了CFD 計(jì)算及PSP 測(cè)量的蝶閥閥板表面壓力，從圖中可以看出PSP 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的閥板迎風(fēng)面壓力變化范圍為2 000 Pa，CFD 數(shù)值計(jì)算所得壓力變化范圍也約為2 000 Pa，兩者比較接近;圖12 給出了PIV 實(shí)驗(yàn)和CFD 數(shù)值計(jì)算所得到的閥內(nèi)流場(chǎng)結(jié)果，兩者分布亦比較接近。

圖10 CFD 計(jì)算蝶閥閥板表面壓力分布

圖11 PSP 測(cè)量蝶閥閥板表面壓力分布

圖12 蝶閥流場(chǎng)PIV 測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過CFD 數(shù)值模擬并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，用k－ε 湍流模型來計(jì)算閥內(nèi)壓力分布能夠獲得比較高的精度，其計(jì)算結(jié)果能夠滿足工程實(shí)際需要。

5 結(jié)論

本文采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，求出了三種典型工況下閥門的開度，并獲得了閥板所受氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩。為驗(yàn)證所選數(shù)值計(jì)算模型的精度，本文設(shè)計(jì)了1∶5 的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用PSP 和PIV 的方法分別測(cè)到了閥板上的壓力分布和閥內(nèi)流場(chǎng)分布，并將測(cè)量結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)用k－ε 湍流模型來計(jì)算閥內(nèi)壓力分布能夠獲得比較高的精度，其計(jì)算結(jié)果能夠滿足工程實(shí)際需要，能夠?yàn)殚y門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

［1］劉志平.我國熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］.中國能源，1998，20(9):6-10.

［2］樓振飛.上海市燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)政策研究［C］//第五屆國際熱電聯(lián)產(chǎn)分布式能源聯(lián)盟年會(huì).北京:中國機(jī)電工程學(xué)會(huì)，2004.

［3］馬九榮.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)［M］.2 卷:汽輪機(jī).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998:14-11.

［4］張兆順，崔桂香，徐春曉.湍流理論與模擬［M］.北京:清華大學(xué)出社，2005:163-267.

［5］GIRIMAJI S S，SREENIVASAN R and JEONG E.PANS Turbulence Model for Seamless Transition Between RASN and LES:Fixed Point Analysis and Preliminary Results［C］//Proceedings of ASME FEDSM’03 2003 4th ASME-JSME Joint Fluids Engineering Conferences.Honolulu，HA:ASME，2003.

［6］陳景仁.湍流模型及有限分析法［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1989:1-9.

［7］陳義良.湍流計(jì)算模型［M］.安徽:中國科技大學(xué)出版社，1991:1-7.

［8］李小芹，李巖，丁濤.工程流體力學(xué)［M］.北京:中國水利水電出版社，2009:91.

［9］鄭立新，郝重陽，周強(qiáng)，等.光學(xué)壓力敏感涂料測(cè)量技術(shù)及其在內(nèi)流場(chǎng)的應(yīng)用［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2010，25(12):2704-2710.

［10］劉波，周強(qiáng)，靳軍，等.壓力敏感涂料技術(shù)及其應(yīng)用［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2006，21(2):225-233.

［11］鄭立新，郝重陽，周強(qiáng)，等.光學(xué)壓力敏感涂料測(cè)量技術(shù)綜述［J］.海軍航空工程學(xué)報(bào)，2010，25(3):349-350.