調(diào)節(jié)閥內(nèi)流型分布及利用聲音突變判別流型轉(zhuǎn)變的方法

曾立飛,劉觀偉,毛靖儒,袁奇,王朝陽,魏龍,張俊杰,徐亞濤

(西安交通大學(xué)葉輪機械研究所,710049,西安;2.神華國華(北京)電力研究院有限公司,100025,北京)

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調(diào)節(jié)閥內(nèi)流型分布及利用聲音突變判別流型轉(zhuǎn)變的方法

曾立飛1,劉觀偉1,毛靖儒1,袁奇1,王朝陽1,魏龍1,張俊杰2,徐亞濤2

(西安交通大學(xué)葉輪機械研究所,710049,西安;2.神華國華(北京)電力研究院有限公司,100025,北京)

針對流體誘發(fā)調(diào)節(jié)閥振動和噪聲而影響汽輪機安全、穩(wěn)定運行的問題,結(jié)合實驗和數(shù)值模擬研究了閥內(nèi)流型分布及流型與噪聲、振動的關(guān)系。研究表明:在中小升程下調(diào)節(jié)閥內(nèi)存在2種流型,其中附閥座流相對于沖擊射流是一種更加穩(wěn)定且噪聲較小的流型;不同壓比調(diào)節(jié)方式下,即使同一工況也會出現(xiàn)這2種流型;連續(xù)改變壓比會出現(xiàn)一種聲音突變現(xiàn)象,該現(xiàn)象由附閥座流和沖擊射流的轉(zhuǎn)變所致;利用聲音突變可以確定調(diào)節(jié)閥在中小升程下流型區(qū)域的分布范圍,可為判斷數(shù)值模擬所得流型的正確性提供參考。

調(diào)節(jié)閥;流型;振動;數(shù)值模擬

汽輪機啟停和功率變化是通過調(diào)節(jié)閥開度的變化改變進入汽輪機的蒸汽流量或蒸汽參數(shù)實現(xiàn)的,因此調(diào)節(jié)閥工作性能的好壞直接關(guān)系到汽輪機的經(jīng)濟性和運行安全性。在極其殘酷的變工況環(huán)境中,調(diào)節(jié)閥是進氣系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)[1],特別是隨著機組容量的不斷增大、進氣參數(shù)的提高,近年來在電廠中由流體誘發(fā)調(diào)節(jié)閥振動而導(dǎo)致的閥桿螺紋滑絲、閥桿斷裂[2-3]等事故頻發(fā)。

調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動為復(fù)雜的三維超聲速流動,由流體誘發(fā)的調(diào)節(jié)閥振動與閥內(nèi)流型密切相關(guān)。Heymann指出,調(diào)節(jié)閥內(nèi)存在附閥座流和沖擊射流2種流型,附閥座流是相對穩(wěn)定的流型,其誘發(fā)的噪聲明顯小于不穩(wěn)定的沖擊射流[4]。Araki通過二維可視化實驗發(fā)現(xiàn),調(diào)節(jié)閥內(nèi)存在3種流型,隨著壓比的減小,流型逐漸變?yōu)閷ΨQ的沖擊射流[5]。Tecza結(jié)合二維數(shù)值模擬和實驗發(fā)現(xiàn),調(diào)節(jié)閥內(nèi)存在5種流型,其中2種是穩(wěn)定流型,另外3種為不穩(wěn)定流型[6]。Clari利用臨界點理論指出,相比沖擊射流,附閥座流是一種更加穩(wěn)定的流型[7]。Hardin通過不斷改進閥碟型線,將調(diào)節(jié)閥內(nèi)的沖擊射流轉(zhuǎn)變?yōu)楦介y座流,最后得到了穩(wěn)定性較好的閥型[8]。Zhang對某調(diào)節(jié)閥做了大量的二維定常數(shù)值模擬,結(jié)果表明,中小升程下閥內(nèi)不對稱流是引起調(diào)節(jié)閥振動的主因[9]。Morita、Yonezawa等進一步利用三維非定常數(shù)值模擬并結(jié)合實驗指出,中等升程下閥碟下方周向移動的高壓區(qū)會導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥振動[10-11]。

從以往的研究可以看出,調(diào)節(jié)閥的振動與閥內(nèi)流型密切相關(guān),依靠數(shù)值模擬準確預(yù)測閥內(nèi)流型已成為分析流體誘發(fā)調(diào)節(jié)閥振動的關(guān)鍵。本文通過實驗對調(diào)節(jié)閥做了大量的工況測試,在連續(xù)調(diào)節(jié)壓比的過程中發(fā)現(xiàn)了一種聲音突變現(xiàn)象。不同的壓比調(diào)節(jié)方式在同一升程下均有2個聲音突變壓比,在這2個聲音突變壓比之間的區(qū)域,即使是同一工況下也會出現(xiàn)2種流型。本文根據(jù)閥內(nèi)流型分布呈現(xiàn)區(qū)域性的特點,提出了利用聲音突變來判斷閥內(nèi)流型分布范圍的方法。

1 實驗設(shè)備及方法

圖1為調(diào)節(jié)閥性能測試系統(tǒng)。實驗介質(zhì)為壓縮空氣,氣源由壓縮機提供且儲存于儲氣罐內(nèi)。通過控制旁通閥的開度可以改變調(diào)節(jié)閥的進口總壓,從而達到調(diào)節(jié)壓比的目的,而調(diào)節(jié)閥的開度通過閥桿上端的提升機構(gòu)控制。壓力測量采用高精度的Rosemount變送器,測量精度可達0.075%,壓力測點布置于閥前管道、進口、卸載室、出口;溫度測量采用熱電偶,測點布置于閥前管道、進口、出口;流量測量采用孔板流量計,測點布置于閥前和閥后,用以相互驗證流量。靜態(tài)測點數(shù)據(jù)由分散式智能數(shù)據(jù)采集器(isolated measurement pods, IMP)采集,再經(jīng)計算機計算實時監(jiān)測和采集實驗系統(tǒng)中的壓力、溫度、流量和壓比等參數(shù)。

圖1 調(diào)節(jié)閥性能測試系統(tǒng)

圖2 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

圖3 閥座局部結(jié)構(gòu)及動態(tài)壓力和數(shù)值模擬監(jiān)測點布置

圖2為調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)。圖3為閥座局部結(jié)構(gòu)及動態(tài)壓力和數(shù)值模擬監(jiān)測點布置。圖3中有4個動態(tài)壓力測點,2個測點相隔90°且均布于閥座,測點名稱分別為4A、4B、4C和4D;數(shù)值模擬監(jiān)測點分別為1、2、3、4A和5。調(diào)節(jié)閥的工況使用了2個量綱為1的參數(shù):相對升程Hf(調(diào)節(jié)閥的升程和配合直徑之比,配合直徑Ds=79.1 mm)和壓比ε(出口靜壓和進口總壓之比)。

測試中首先固定調(diào)節(jié)閥的升程,從相對升程Hf=2.5%開始,然后調(diào)節(jié)旁通閥改變進口壓力,使得壓比ε從0.9起逐漸減小(壓比測試間隔為0.05),直至壓比為0.2,之后提高升程,繼續(xù)測試下一升程的壓比點。在調(diào)節(jié)壓比過程中發(fā)現(xiàn),由調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的聲音會出現(xiàn)一種“突變現(xiàn)象”,即調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的聲音的音量和音色發(fā)生明顯的突然變化,實驗中聲音突變前后聲壓突變的幅值可達5～11 dB。

在固定的調(diào)節(jié)閥升程中,每一個升程下按照2種壓比調(diào)節(jié)方式進行調(diào)節(jié),即從ε=0.9逐漸降低到ε=0.2(調(diào)節(jié)方式1)和從ε=0.2逐漸升高到ε=0.9(調(diào)節(jié)方式2),壓比改變量約為0.000 5 s-1。在所測的每一個升程下有2個聲音突變壓比點,測試結(jié)果如圖4所示。對于2個聲音突變壓比之間的工況,2種壓比調(diào)節(jié)方式對應(yīng)2種噪聲和壓力脈動。

圖4 聲音突變點和數(shù)值計算流型分布圖

2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬借助了Fluent軟件,實驗工況逐一進行了定常數(shù)值模擬。進口設(shè)置為總壓進口,出口使用靜壓出口,其他邊界均假定為絕熱壁面,實驗數(shù)據(jù)均來自于實驗測量。湍流模型采用了可實現(xiàn)k-ε模型,近壁面使用了可擴展壁面函數(shù)。

各個工況下的數(shù)值模擬結(jié)果表明,計算所得流量與實驗誤差在3%以內(nèi),卸載室壓力誤差在5%以內(nèi)。各工況點的流型分布見圖4,當Hf≤11.4%時存在2種典型流型,即沖擊射流和附閥座流,2種流型如圖5所示。沖擊射流特點為高速流體從環(huán)形通道流出后在閥座處分離,且以自由射流的形式在閥碟下方匯聚;附閥座流特點為由環(huán)形通道流出的大部分流體在靠近閥座壁面的狹小區(qū)域內(nèi)通過,閥座下方大部分區(qū)域被低速回流所充斥[4]。

從圖4還可以看出,沖擊射流在小壓比區(qū)域內(nèi),附閥座流在大壓比區(qū)域內(nèi),在2個聲音突變壓比之間流型不確定,會受計算采用初場的影響,這一區(qū)域定義為數(shù)值計算的流型不確定區(qū)域。選取這一區(qū)域中的工況點Hf=7.6%、ε=0.5,分別利用沖擊射流和附閥座流在2種初場進行非定常數(shù)值模擬。非定常數(shù)值模擬中邊界條件的設(shè)置與定常計算相同,湍流模型使用了預(yù)測分離流較好的基于可實現(xiàn)k-ε的分離渦模擬(DES)模型。DES模型結(jié)合了雷諾平均與大渦模擬技術(shù)[12-13]的優(yōu)勢:在近壁面的附面層內(nèi)采用RANS方法,用較小的計算量獲得相對理想的壁面特征;在遠離物面的區(qū)域?qū)Υ蟪叨确蛛x流使用大渦模擬技術(shù),可以對分離流進行較好的模擬[13-15]。

(a)沖擊射流 (b)附閥座流圖5 Hf=7.6%、ε=0.5、t=0.3 s時的2種典型流型

2.1 調(diào)節(jié)閥內(nèi)的2種流型

圖6為采用調(diào)節(jié)方式2且在Hf=7.6%、ε=0.5(計算中選用ε=0.4沖擊射流作為初場)時的壓力波動時域圖。從圖中可以看出:實驗和數(shù)值模擬結(jié)果符合較好;在測點4A處的壓力波動明顯大于其他測點,流型在t=0.2～0.3 s均為沖擊射流,這是沖擊射流的撞擊點在測點4A附近擺動所致。

圖6 采用調(diào)節(jié)方式2且在Hf=7.6%、ε=0.5時的壓力波動時域圖

圖7為采用調(diào)節(jié)方式1且在Hf=7.6%、ε=0.5(計算中選用ε=0.6附閥座流作為初場)時的壓力波動時域圖。從圖中可以看出:數(shù)值模擬所得的流型在t=0.2～0.3 s時均為附閥座流;實驗和數(shù)值模擬在閥座的4個測點的壓力波動均小于圖6的壓力波動。

圖7 Hf=7.6%、ε=0.5時實驗和數(shù)值模擬閥座壓力波動時域圖(附閥座流)

圖8和圖9分別是非定常數(shù)值模擬工況在Hf=7.6%、ε=0.5所得2種流型下閥座測點1、2、3、4A和5處的壓力波動時域圖。從圖8可以看出,流型為沖擊射流時閥座測點2、3和4A的壓力波動幅度明顯大于測點1、5的壓力波動。如圖5a所示,從喉部流出的高速射流并沒有立即與閥座分離,而是繼續(xù)附著于閥座,在測點1后才逐漸開始分離,所以測點1處的壓力波動類似于圖9中附閥座流測點1的壓力波動。測點2、3和4A的壓力波動較大是由喉部后的高速射流不斷離開和靠近壁面所致,而高速射流不斷擺動并未影響到閥座下游測點5。喉部出口處的閥座型線曲率半徑Rd對高速射流分離閥座起著至關(guān)重要的作用,文獻[5,16]嘗試了增大Rd以獲得更加穩(wěn)定的流型。圖9中5個測點處的壓力波動量都非常小。對于附閥座流,回流幾乎充斥著整個閥座區(qū),由喉部流出的高速射流被約束在很小的區(qū)域內(nèi)且緊貼閥座流動,因而高速流體的波動較小。附閥座流中高速流體相比沖擊射流的混合脈動衰減更小,高速流體區(qū)域持續(xù)到監(jiān)測點5之后,如圖5b所示。Hf=7.6%、ε=0.5時按照IEC標準[17-18]預(yù)測閥內(nèi)噪聲,此工況點處于流態(tài)Ⅲ(pvcc>pout≥p2B,pvcc為臨界流動時最小截面處的壓力,pout為閥出口壓力,p2B為斷點狀態(tài)的閥出口壓力),此時pout已經(jīng)下降到低于喉部臨界壓力,其后沒有進一步的壓力恢復(fù)。此流態(tài)下的噪聲主要由激波與湍流相互作用和湍流剪切應(yīng)力所產(chǎn)生的噪聲所致。當流型為沖擊射流時,激波及其反射波與下游的湍流相作用的區(qū)域遠大于被限制在壁面的附閥座流中激波與湍流相互作用的區(qū)域。此外,由圖8和圖9還可以看出,沖擊射流在壁面上的壓力波動遠大于附閥座流,沖擊射流在閥碟下方還形成了撞擊,射流本身湍流脈動和撞擊不穩(wěn)定使得由湍流剪切應(yīng)力造成的噪聲相比附閥座流更強。綜合以上2點分析,即使在同一工況下,沖擊射流的噪聲也明顯大于附閥座流。

圖8 非定常數(shù)值模擬閥座各測點壓力波動時域圖(沖擊謝流)

圖9 非定常數(shù)值模擬閥座各測點壓力波動時域圖(附閥座流)

2.2 聲音突變現(xiàn)象及應(yīng)用

文獻[19]指出,當閥內(nèi)的流動變?yōu)樽枞鲿r閥內(nèi)噪聲和流型密切相關(guān),而流型與閥的結(jié)構(gòu)、升程及壓比相關(guān)。在實驗中發(fā)現(xiàn),附閥座流噪聲比未附著射流低8～10 dB。文獻[4,20]指出,附壁流噪聲明顯小于沖擊流噪聲。文獻[21]還提出了通過改變流道型線使流型由沖擊射流轉(zhuǎn)變?yōu)楦奖诹鞫档驮肼暤慕ㄗh。由圖4數(shù)值模擬的流型分布可以看出,小壓比區(qū)域為沖擊射流,大壓比區(qū)域為附閥座流。若采用調(diào)節(jié)方式1,隨著壓比的持續(xù)增加,必然會在某一壓比下發(fā)生沖擊射流向附閥座流轉(zhuǎn)變;反之,若采用調(diào)節(jié)方式2,不可避免地會發(fā)生附閥座流向沖擊射流轉(zhuǎn)變?？梢酝茰y,在調(diào)節(jié)壓比的過程中所出現(xiàn)的“聲音突變”現(xiàn)象是由沖擊射流和附閥座流相互轉(zhuǎn)變所致。由圖3可以看出,閥碟下方為凹口型閥,類似的凹口閥型G-I型閥中也發(fā)現(xiàn)了聲音突變現(xiàn)象[22]。相對于閥碟型線為球形的閥碟,這種凹口型閥更加利于減振[5,8],因而在實際中也得到了較多的應(yīng)用。

實驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明,在圖4流型不確定工況區(qū)域中,同一工況下可以出現(xiàn)2種流型,這就對數(shù)值模擬提出更高的挑戰(zhàn),究竟哪一種流型是調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的真實流型,需要先確定調(diào)節(jié)閥內(nèi)流型在不確定區(qū)域的分布范圍。實驗中,利用連續(xù)調(diào)壓比產(chǎn)生的聲音突變現(xiàn)象可以確定這一區(qū)域。若使用紋影儀或PIV等方法可以準確驗證閥內(nèi)流型,但實驗操縱難度較大且需耗費較多的精力。此外,文獻[5,22-23]的研究表明,在中小升程下調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流型呈現(xiàn)類似圖4中的區(qū)域性分布特征,即在小壓比范圍內(nèi)為沖擊射流,在大壓比范圍內(nèi)為附閥座流。因此,考慮到中小升程下閥內(nèi)流型的這種分布特征,可以利用聲音突變現(xiàn)象作為一種簡單且實用的實驗方法,來判斷數(shù)值模擬所得流型分布的正確性。

3 結(jié) 論

本文在連續(xù)調(diào)節(jié)壓比的過程中發(fā)現(xiàn)了聲音突變現(xiàn)象,結(jié)合數(shù)值模擬分析得出聲音突變現(xiàn)象是由附閥座流和沖擊射流轉(zhuǎn)變所致。由此得到,調(diào)節(jié)閥在中小升程下存在數(shù)值模擬的流型不確定區(qū),該區(qū)域中即使是同一工況下也會出現(xiàn)2種流型,通過聲音突變現(xiàn)象可以確定這一區(qū)域,這是一種簡單且實用的驗證數(shù)值模擬流型分布范圍的方法。本文對閥內(nèi)流型的揭示和依靠聲音突變方法來判斷流型,對于數(shù)值模擬調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動具有實際意義。

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(編輯 苗凌)

Distribution of Flow Pattern in Control Valves and Identification of Flow Pattern Transition by Sound Mutation

ZENG Lifei1, LIU Guanwei1, MAO Jingru1, YUAN Qi1, WANG Zhaoyang1, WEI Long1, ZHANG Junjie2, XU Yatao2

(1. Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100025, China)

Flow-induced vibration and noise of control valves are experimentally and numerically studied to further investigate the relationships between flow pattern distribution, and vibration noise in a steam turbine. It is found that there exist two flow patterns in small and middle openings. Compared with core flow pattern, the flow pattern attached to the valve seat gets more stable with less noise. Different flow patterns may appear even under the same condition according to different adjustment methods of pressure ratios. A sound mutation caused by the converting of two different flow patterns is experimentally observed by continuously adjusting the pressure ratio, which can be used as a simple and practical way to determine the ranges of core and the annular flows.

control valve; flow pattern; vibration; numerical simulation

2014-09-21。

曾立飛(1986—),男,博士生;毛靖儒(通信作者),女,研究員。

時間:2015-02-27

10.7652/xjtuxb201505018

TK263.7

A

0253-987X(2015)05-0116-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150227.0845.007.html