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非定常復雜流動誘發的調節閥不穩定性研究綜述
發布于：2019/10/21 9:34:44 點擊量：145
論文摘要：綜述了國內外對非定常復雜流動誘發的調節閥不穩定性研究的情況，介紹了筆者今后進行此項研究的計劃和內容。
Analysis of Control Valve Instability Induced by Unsteady Sophisticated fluid flow
Tu Shan et al
By making three-dimensional visible experiments of several typical control valves using PIV technology and corresponding numerical simulation，the unsteady flow characteristic and mechanism are grasped The valve stability and thermal efficiency is improved by eliminating and decreasing the unsteady flow so as to modifying valve profiles.
Keywords：control valve，sophisticated fluid flow，stability，oscillation，flow vision，measurement
1 前言
調節閥是流體機械(包括電力機械、化工機械、流體動力機械等)中控制通流能力的關鍵部件，它的工作性能、安全性與整個裝置的工作性能、效率、可靠性密切相關。影響其工作性能的因素很多，所以至今各行業中由調節閥引起的各種事故時有發生。據統計，主要是調節閥在某些工況下發生嚴重的振動問題，甚至引起閥桿斷裂，影響機組安全平穩地運行［1］。
調節閥結構復雜，其流道為雙喉噴管，如圖1所示。現有研究表明，由閥碟和閥座形成的第一段噴管中，在壓比較小時會出現激波和脫流現象；軸對稱系統的不穩定性將引起氣流的強烈旋轉；由閥座形成的第二段噴管也是一個不穩定因素，擴張角過大時會出現脫流和不穩定流動。調節閥內部呈現出復雜的流態分布和變化規律，是典型的非定常復雜內流問題，目前尚不能建立相應的數學模型。因此這方面的科研工作必須以試驗為主，有必要建立相應的試驗臺(工質以空氣為宜)進行試驗［2］。
國內由于各種原因對流體誘發調節閥振動的問題缺乏研究和試驗。國外利用紋影技術進行過二維軸對稱模型的可視化實驗研究及三元模型試驗［2］。但是實際閥門由于流態變化誘發振動的流場并沒有顯示出來，引起振動的原因沒有完全搞清楚，主要是缺乏可靠、有效的測試手段。
流動顯示是實驗流體力學的一個重要組成部分，它的主要任務是把流體的某些性質加以直觀表示，以便對流動獲得全面的認識，因而成為實驗流體力學中一個長盛不衰的課題。PIV技術就是在流動顯示基礎上，利用圖形圖象處理技術的類似做法發展起來的一種新的流動測量技術［3、4］。粒子成象測速法PIV(Particle Image Velocimetry)可用于測量流場各截面上的瞬態速度矢量場。它綜合了單點測量技術和流動顯示測量技術的優點，克服了兩種測量技術的弱點而形成的，既具備了單點測量技術的精度和分辨率，又能獲得平面流場顯示的整體結構和瞬態圖象。這正是我們研究非定常流動所必須的測試手段。采用PIV等先進的實驗技術手段進行三元可視化實驗與相應的理論研究，更完全地掌握閥門非定常流動的特點和不穩定的機理，以便從根本上消除或減少閥體內不穩定流動的產生根源，提出改進閥門和閥座的優化型線，提高閥門的可靠性和經濟性。該研究既具有十分重要的科學意義，又具有重大的經濟價值。
2 國內外研究現狀
2.1 國內研究現狀
早在60年代，我國進行過一些中壓和高壓汽輪機調節閥的氣動試驗，不過試驗的目的在于得到調節閥的流量、提升力等隨升程—壓比的變化特性。在此期間，還對引進的調節閥型線作過一些改進［5］。當時由于缺乏測試手段，這些試驗并未涉及閥門穩定性的問題。直至90年代，利用簡單的試驗裝置，在核電機組上進行過消聲罩調節閥的試驗與分析研究［6］。
2.2 國外研究現狀
國外不少廠商在70年代后期開展了調節閥流體振動方面的試驗研究，如前蘇聯、法國、日本等研究單位與公司。起初是二元模型紋影儀流譜法，揭示了不同升程及壓比時閥內流譜和汽道內激波的位置及變化過程；在小升程、小壓比時為高速自由射流，匯集于閥碟下方引起高頻振動和噪聲；當升程和壓比繼續增大時，自由射流轉變為附著流，由于流型改變和附著表面的變化而呈現不穩定流動，引起幾百赫芝的大振幅低頻振動。以后發展的三元模型試驗，測量閥碟與閥座個別點處壓力變動以及閥碟三個方向的加速度值。其方法是在閥碟表面嵌入微型壓力傳感器與加速度計，通過沿全部表面的積分得到作用于閥碟上的脈動力。
2.2.1 前蘇聯的研究工作［7］
前蘇聯以莫斯科動力學院為代表，對調節閥的可靠性和阻力等問題進行了理論分析和試驗研究。以球型閥為例，在閥碟和閥座表面上進行了鉆孔取壓試驗。閥門在全升程時，表面壓力變化就很劇烈；部分開啟時的流動圖象更為復雜。為保證閥碟上的穩定繞流條件，曾采取了各種措施，如在閥碟配合直徑下部鉆孔，但并沒有消除汽流脫流的原因，只是力圖降低脫流的負作用。這種結構的調節閥1983年使用于K—300—240機組中，設計開度下的阻力低(約為初壓的1%)，振動值也低。
2.2.2 法國工業力學技術中心的研究［2］
用球形閥進行二維模型或軸對稱模型試驗，工質是空氣。
超音速射流的長度約等于10至20倍的流出寬度，如圖2所示。大于一定升程時射流束沿軸相匯，形成一流層，把下游汽流與閥碟底部產生的孔穴隔離開來。孔穴由于卷吸作用而產生真空，反過來又使流層變形。當真空不能抵抗下游高壓流體的滲入時，流層就破裂，于是回復到初始狀態。如此反復開始了不穩定階段。為限制由于射流束匯合而產生的不穩定，要采用帶型線的閥碟，使之滿足：(1)流動的穩定性；(2)短距離內的有效混合；(3)下游沒有任何流體旋轉的流動。
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改進方法是在接觸環處噴嘴開始的地方加工出多條擴散狀凹槽，分別布置在噴嘴中，由相同尺寸的常規噴嘴分隔開，如圖3所示。這樣兩股汽流在交界面處發生強烈混合。由于粘性耗散的影響，如果激波發生，強度屬于中等。這種混合極其復雜，難以計算，但誘發的擾動消除了。
2.2.3 日本的研究［1］
(1)東芝公司開發了平衡型調節閥［8］。它由主閥碟和預啟閥組成，通過改變預啟閥行程的方式避開共振，有良好的防振效果，已用在很多火電機組中。
(2)日立公司開發了防振型調節閥［9］。通過大量的實驗研究，確認調節閥振動主要是由于在閥碟周圍不對稱、不穩定的流動使閥碟激振而引起的。改進方法是使閥座曲率半徑R2大于閥碟曲率半徑R1；在閥碟下部開設缺口棱邊，使汽流從閥碟表面強制分離。空氣試驗和蒸汽試驗表明按此方法研制的防振型調節閥減振效果明顯，已用于火電機組中。
雖然閥門在原始設計時都經過空氣模擬吹風試驗，但實驗條件與實際工作狀態之間有一定的差異，在實際工作中仍會出現不穩定狀態。從目前掌握的資料看，存在的主要問題是：調節閥在一定的壓比和開度下，可能出現自由射流和閥碟或閥座附著流的交替轉變，引起不穩定流動。對于解決閥門振動事故，可以采取從結構上加強的方法，現場還可采用調整振動系統參數的手段來限制振動響應水平。但這些都是消極的方法，根本的措施是從流體動力學角度研究閥門內的不穩定流動，從而找出原因，消除振動［10］。總之，調節閥內不穩定流動屬于強迫振動，同時具有隨機振動的特征，但三元流動性質并不十分清楚。因此要進一步研究實際閥門的三元流動規律，使調節閥改造更有效。
3 今后的研究計劃
今后對非定常復雜流動誘發調節閥不穩定的研究應以實驗研究為主，輔之以數值計算。我們計劃在理論分析的基礎上，設計、加工幾種目前最常用的典型調節閥(如OPⅡ—85型、G-Ⅰ型、EC—301型等)的試驗件，通過實驗研究和數值計算的方法，考察各閥門在不同壓比、不同升程下產生不穩定時的流場性質，找出引起振動的主要因素并提出消振措施，進而改進閥門型線設計。為此，擬采取以下手段：
(1)用PIV技術進行流場顯示及測量，提供流場速度矢量分布規律；
(2)用高速攝影技術進行振動參數的測量；
(3)用高頻采集系統測量瞬態關鍵部位的壓力分布規律。
利用上述三種技術進行流動模化試驗研究，獲得各閥關鍵部位的重要技術數據，并歸納、分析其規律性。
(4)在已有計算軟件基礎上，進一步開發計算調節閥非定常、超音速流場的計算程序，并用試驗予以驗證和完善。
整個工作分為試驗部分和數值計算部分。
3.1 試驗部分
包括試驗件及其進出口連接段的設計和加工、試驗臺的安裝及系統調試、測量和顯示試驗、試驗數據整理分析等。
3.2 數據整理歸納和數值計算部分
對幾種閥的試驗數據進行綜合、歸納、分析；進一步開發紊流場的計算程序，找出閥門流動不穩定的影響因素，提出改進措施；結合試驗結論和數值計算結果可以設計一種改進型線或結構的新型閥門，并進行相應的補充試驗和數值模擬，驗證新型閥門的穩定性和經濟性。
4 總結
調節閥的結構是十分復雜的，其內部不穩定流動是典型的非定常復雜內流問題，也是流體力學研究中具有前沿性的研究課程。以前在實驗研究方面由于缺乏可靠、有效的測試手段，沒有從根本上揭示閥門振動的原因。采用PIV等當今最先進的流動測量和顯示技術進行調節閥的三元可視化模型試驗，以獲得第一手有關流體誘發振動的重要資料，并通過理論分析和數值計算找出引起閥體振動的主要因素，以便為結構或型線改進提供重要的技術依據。
作者簡介：屠珊，女，33歲，博士。
通訊地址：710049陜西西安市西安交通大學能源與動力工程學院。
屠珊（西安交通大學）
毛靖儒（西安交通大學）
孫弼（西安交通大學）
參 考 文 獻
［1］ 樂海南譯.日本電站汽輪機蒸汽閥的技術發展.電站輔機，1988；(4)
［2］ 徐源濱譯.汽輪機調節閥中的流動不穩定性研究.汽輪機技術，1984；(1)
［3］ 連其祥.實驗流體力學發展狀況——復雜流動的觀測.現代流體力學進展，科學出版社，1991
［4］ 盛森芝等.飛速發展中的流動測量技術.在第三屆第三次全國氣動實驗測控自動化技術交流會上的報告
［5］ 王平子.我國研制的新型“G—Ⅰ”型調節閥.動力工程，1987；(1)
［6］ 朱丹書.消聲罩調節閥的試驗與分析.上海汽輪機，1998；(2)
［7］ 王平子.大型汽輪機調節閥的研究動向.東方汽輪機，1993；(2)
［8］ 荒木達雄等.汽輪機調節閥的流體振動.汽輪機技術，1983；(4)
［9］ 橫田光久等.汽輪機蒸汽控制閥的新技術.動力譯報，1982；(2)
［10］ 薛沐睿，朱丹書，裴嘉祥.消除汽輪機調節閥流體誘發振動的試驗與探討.動力工程，1987；(5)
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