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诱发调节阀不稳定性研究综述

综述了国内外对非定常复杂流动诱发的调节阀不稳定性研究的情况,介绍了笔者今后进行此项研究的计划和内容。

一、前言

调节阀是流体机械(包括电力机械、化工机械、流体动力机械等)中控制通流能力的关键部件,它的工作性能、安全性与整个装置的工作性能、效率、可靠性密切相关。影响其工作性能的因素很多,所以至今各行业中由调节阀引起的各种事故时有发生。据统计,主要是调节阀在某些工况下发生严重的振动问题,甚至引起阀杆断裂,影响机组安全平稳地运行。

调节阀结构复杂,其流道为双喉喷管。现有研究表明,由阀碟和阀座形成的第一段喷管中,在压比较小时会出现激波和脱流现象;轴对称系统的不稳定性将引起气流的强烈旋转;由阀座形成的第二段喷管也是一个不稳定因素,扩张角过大时会出现脱流和不稳定流动。调节阀内部呈现出复杂的流态分布和变化规律,是典型的非定常复杂内流问题,目前尚不能建立相应的数学模型。因此这方面的科研工作必须以试验为主,有必要建立相应的试验台(工质以空气为宜)进行试验。

国内由于各种原因对流体诱发调节阀振动的问题缺乏研究和试验。国外利用纹影技术进行过二维轴对称模型的可视化实验研究及三元模型试验。但是实际阀门由于流态变化诱发振动的流场并没有显示出来,引起振动的原因没有完全搞清楚,主要是缺乏可靠、有效的测试手段。

流动显示是实验流体力学的一个重要组成部分,它的主要任务是把流体的某些性质加以直观表示,以便对流动获得全面的认识,因而成为实验流体力学中一个长盛不衰的课题。PIV技术就是在流动显示基础上,利用图形图象处理技术的类似做法发展起来的一种新的流动测量技术。粒子成象测速法PIV(Particle Image Velocimetry)可用于测量流场各截面上的瞬态速度矢量场。它综合了单点测量技术和流动显示测量技术的优点,克服了两种测量技术的弱点而形成的,既具备了单点测量技术的精度和分辨率,又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图象。这正是我们研究非定常流动所必须的测试手段。采用PIV等先进的实验技术手段进行三元可视化实验与相应的理论研究,更完全地掌握阀门非定常流动的特点和不稳定的机理,以便从根本上消除或减少阀体内不稳定流动的产生根源,提出改进阀门和阀座的优化型线,提高阀门的可靠性和经济性。该研究既具有十分重要的科学意义,又具有重大的经济价值。

二、国内外研究现状

2.1 国内研究现状

早在60年代,我国进行过一些中压和高压汽轮机调节阀的气动试验,不过试验的目的在于得到调节阀的流量、提升力等随升程—压比的变化特性。在此期间,还对引进的调节阀型线作过一些改进。当时由于缺乏测试手段,这些试验并未涉及阀门稳定性的问题。直至90年代,利用简单的试验装置,在核电机组上进行过消声罩调节阀的试验与分析研究。

2.2 国外研究现状

国外不少厂商在70年代后期开展了调节阀流体振动方面的试验研究,如前苏联、法国、日本等研究单位与公司。起初是二元模型纹影仪流谱法,揭示了不同升程及压比时阀内流谱和汽道内激波的位置及变化过程;在小升程、小压比时为高速自由射流,汇集于阀碟下方引起高频振动和噪声;当升程和压比继续增大时,自由射流转变为附着流,由于流型改变和附着表面的变化而呈现不稳定流动,引起几百赫芝的大振幅低频振动。以后发展的三元模型试验,测量阀碟与阀座个别点处压力变动以及阀碟三个方向的加速度值。其方法是在阀碟表面嵌入微型压力传感器与加速度计,通过沿全部表面的积分得到作用于阀碟上的脉动力。

2.2.1 前苏联的研究工作

前苏联以莫斯科动力学院为代表,对调节阀的可靠性和阻力等问题进行了理论分析和试验研究。以球型阀为例,在阀碟和阀座表面上进行了钻孔取压试验。阀门在全升程时,表面压力变化就很剧烈;部分开启时的流动图象更为复杂。为保证阀碟上的稳定绕流条件,曾采取了各种措施,如在阀碟配合直径下部钻孔,但并没有消除汽流脱流的原因,只是力图降低脱流的负作用。这种结构的调节阀1983年使用于K—300—240机组中,设计开度下的阻力低(约为初压的1%),振动值也低。

2.2.2 法国工业力学技术中心的研究

用球形阀进行二维模型或轴对称模型试验,工质是空气。

超音速射流的长度约等于10至20倍的流出宽度。大于一定升程时射流束沿轴相汇,形成一流层,把下游汽流与阀碟底部产生的孔穴隔离开来。孔穴由于卷吸作用而产生真空,反过来又使流层变形。当真空不能抵抗下游高压流体的渗入时,流层就破裂,于是回复到初始状态。如此反复开始了不稳定阶段。为限制由于射流束汇合而产生的不稳定,要采用带型线的阀碟,使之满足:

(1)流动的稳定性;(2)短距离内的有效混合;(3)下游没有任何流体旋转的流动。

改进方法是在接触环处喷嘴开始的地方加工出多条扩散状凹槽,分别布置在喷嘴中,由相同尺寸的常规喷嘴分隔开,如图3所示。这样两股汽流在交界面处发生强烈混合。由于粘性耗散的影响,如果激波发生,强度属于中等。这种混合极其复杂,难以计算,但诱发的扰动消除了。

2.2.3 日本的研究

(1)东芝公司开发了平衡型调节阀。它由主阀碟和预启阀组成,通过改变预启阀行程的方式避开共振,有良好的防振效果,已用在很多火电机组中。

(2)日立公司开发了防振型调节阀。通过大量的实验研究,确认调节阀振动主要是由于在阀碟周围不对称、不稳定的流动使阀碟激振而引起的。改进方法是使阀座曲率半径R2大于阀碟曲率半径R1;在阀碟下部开设缺口棱边,使汽流从阀碟表面强制分离。空气试验和蒸汽试验表明按此方法研制的防振型调节阀减振效果明显,已用于火电机组中。

虽然阀门在原始设计时都经过空气模拟吹风试验,但实验条件与实际工作状态之间有一定的差异,在实际工作中仍会出现不稳定状态。从目前掌握的资料看,存在的主要问题是:调节阀在一定的压比和开度下,可能出现自由射流和阀碟或阀座附着流的交替转变,引起不稳定流动。对于解决阀门振动事故,可以采取从结构上加强的方法,现场还可采用调整振动系统参数的手段来限制振动响应水平。但这些都是消极的方法,根本的措施是从流体动力学角度研究阀门内的不稳定流动,从而找出原因,消除振动。总之,调节阀内不稳定流动属于强迫振动,同时具有随机振动的特征,但三元流动性质并不十分清楚。因此要进一步研究实际阀门的三元流动规律,使调节阀改造更有效。

三、今后的研究计划

今后对非定常复杂流动诱发调节阀不稳定的研究应以实验研究为主,辅之以数值计算。我们计划在理论分析的基础上,设计、加工几种目前最常用的典型调节阀(如OPⅡ—85型、G-Ⅰ型、EC—301型等)的试验件,通过实验研究和数值计算的方法,考察各阀门在不同压比、不同升程下产生不稳定时的流场性质,找出引起振动的主要因素并提出消振措施,进而改进阀门型线设计。为此,拟采取以下手段:

(1)用PIV技术进行流场显示及测量,提供流场速度矢量分布规律;

(2)用高速摄影技术进行振动参数的测量;

(3)用高频采集系统测量瞬态关键部位的压力分布规律。

利用上述三种技术进行流动模化试验研究,获得各阀关键部位的重要技术数据,并归纳、分析其规律性。

(4)在已有计算软件基础上,进一步开发计算调节阀非定常、超音速流场的计算程序,并用试验予以验证和完善。

整个工作分为试验部分和数值计算部分。

3.1 试验部分

包括试验件及其进出口连接段的设计和加工、试验台的安装及系统调试、测量和显示试验、试验数据整理分析等。

3.2 数据整理归纳和数值计算部分

对几种阀的试验数据进行综合、归纳、分析;进一步开发紊流场的计算程序,找出阀门流动不稳定的影响因素,提出改进措施;结合试验结论和数值计算结果可以设计一种改进型线或结构的新型阀门,并进行相应的补充试验和数值模拟,验证新型阀门的稳定性和经济性。

四、总结

调节阀的结构是十分复杂的,其内部不稳定流动是典型的非定常复杂内流问题,也是流体力学研究中具有前沿性的研究课程。以前在实验研究方面由于缺乏可靠、有效的测试手段,没有从根本上揭示阀门振动的原因。采用PIV等当今最先进的流动测量和显示技术进行调节阀的三元可视化模型试验,以获得第一手有关流体诱发振动的重要资料,并通过理论分析和数值计算找出引起阀体振动的主要因素,以便为结构或型线改进提供重要的技术依据。

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