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為提高汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的抗沖蝕性能，同時(shí)使其滿足調(diào)節(jié)特性需求，提出對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，并采用了鼠籠式多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)。對(duì)調(diào)節(jié)閥的流量特性進(jìn)行了計(jì)算，分析了滑閥間隙對(duì)流量特性的影響，修正了流量特性曲線。通過(guò)調(diào)節(jié)閥流量特性的測(cè)試，分析了小開(kāi)度下產(chǎn)生誤差的主要原因。結(jié)果表明：計(jì)算值與試驗(yàn)值能較好地吻合。

調(diào)節(jié)閥又稱為控制閥，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)改變汽輪機(jī)蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度以及汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，從而實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)功率的調(diào)整。為滿足汽輪機(jī)調(diào)節(jié)特性要求，閥門(mén)通流面積與開(kāi)度之間應(yīng)保持一定的變化規(guī)律。 
    汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)期處于高溫、高壓狀態(tài)，工作條件十分惡劣，特別在低負(fù)荷工況下調(diào)節(jié)閥承受的壓差巨大，極易造成閥門(mén)零部件的沖蝕。為改善調(diào)節(jié)閥工作狀態(tài)，減小汽流帶來(lái)的沖擊，通?？刹捎枚嗉?jí)降壓式的結(jié)構(gòu)，如多層套筒式、多級(jí)閥芯式等，以提高調(diào)節(jié)閥的抗沖蝕性能，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

    1 抗沖蝕調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

    某汽輪機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式，蒸汽調(diào)節(jié)閥為套筒式結(jié)構(gòu)，由于長(zhǎng)期處于低負(fù)荷工況運(yùn)行，滑閥沖蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

    根據(jù)汽輪機(jī)使用要求，蒸汽調(diào)節(jié)閥應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)：

    （1）在高壓差、小流量工況時(shí)具有良好的抗沖蝕性能。

    （2）在大流量工況下具有較小的壓降，減小汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力損失。

    （3）調(diào)節(jié)閥流量特性曲線光滑連續(xù)，滿足機(jī)組調(diào)節(jié)需求。

    為使蒸汽調(diào)節(jié)閥滿足上述功能要求，對(duì)其采用了分段設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 改進(jìn)的蒸汽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖

    調(diào)節(jié)閥采用套筒式結(jié)構(gòu)，蒸汽由閥體底部進(jìn)入，經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后由側(cè)面流出。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由鼠籠和套筒組成：鼠籠結(jié)構(gòu)用于閥門(mén)小開(kāi)度時(shí)（30%流量以下）高壓差工況的調(diào)節(jié)；套筒采用一定型線的窗口，用于大流量工況（30%流量以上）的調(diào)節(jié)。

    鼠籠結(jié)構(gòu)采用小孔多級(jí)節(jié)流形式，共分為五級(jí)，各級(jí)小孔的直徑和數(shù)量均有不同，通流面積從第一級(jí)至最后一級(jí)逐漸增大。 高壓蒸汽從閥體進(jìn)入鼠籠后，由內(nèi)圈向外圈逐級(jí)膨脹，最后流出調(diào)節(jié)閥；第一級(jí)鼠籠小孔布置于滑閥底部，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟時(shí)，可使第一級(jí)與第二級(jí)鼠籠通流面積同時(shí)變化；為滿足汽輪機(jī)調(diào)節(jié)需求，第一級(jí)鼠籠小孔分多排布置，數(shù)量由上至下逐漸增多，使調(diào)節(jié)閥通流面積與開(kāi)度呈等百分比變化。

    2 調(diào)節(jié)閥流量特性計(jì)算

    2.1 調(diào)節(jié)閥流量特性的計(jì)算

    蒸汽調(diào)節(jié)閥流量特性計(jì)算參數(shù)主要包括：

    （1）不同開(kāi)度下套筒及鼠籠結(jié)構(gòu)總通流面積：

        （1）

    （2）調(diào)節(jié)閥流量公式：

        （2）

    式中：p0為調(diào)節(jié)閥閥前壓力；υ0為調(diào)節(jié)閥閥前蒸汽質(zhì)量體積；Φ為閥門(mén)流量系數(shù)βυ為彭臺(tái)門(mén)系數(shù)。

    （3）彭臺(tái)門(mén)系數(shù)公式：

        （3）

    式中：ε為調(diào)節(jié)閥前后蒸汽壓比；εc為蒸汽的臨界壓比。

    （4）弗留格爾公式：

        （4）    

    式中：Qc、Qcp為噴嘴變工況以及額定工況時(shí)的流量；p1、p1p為噴嘴前變工況以及額定工況時(shí)的壓力；p2、p2p為級(jí)后變工況以及額定工況時(shí)的壓力。    

    （5）流量守恒公式：

        （5）

    根據(jù)以上計(jì)算公式，則可求出調(diào)節(jié)閥流量特性，即不同開(kāi)度下調(diào)節(jié)閥流量

        （6）

    計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。由于采用了分段設(shè)計(jì)，在相對(duì)開(kāi)度＜0.33（即鼠籠結(jié)構(gòu)）進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)斜率較??；在相對(duì)開(kāi)度＝0.33時(shí)（套筒窗口開(kāi)啟）曲線斜率隨即增大；當(dāng)相對(duì)開(kāi)度＝1時(shí)，流量達(dá)到最大值。    

圖2 調(diào)節(jié)閥流量特性曲線

    2.2 間隙流動(dòng)對(duì)流量特性的影響

    上述計(jì)算未考慮滑閥與套筒間的間隙對(duì)流量的影響，為提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，針對(duì)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其小開(kāi)度時(shí)間隙泄漏情況作了進(jìn)一步的分析。圖3為間隙流動(dòng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖。    

圖3 間隙流動(dòng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖

    當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于小開(kāi)度狀態(tài)時(shí)，蒸汽一方面經(jīng)第一級(jí)鼠籠小孔流過(guò)，另一方面通過(guò)滑閥與套筒間的間隙流過(guò)。在間隙流動(dòng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖中，F(xiàn)g1為滑閥下端與套筒的間隙，F(xiàn)g2為滑閥上端與套筒的間隙，F(xiàn)h1為第一級(jí)鼠籠小孔已開(kāi)啟的通流面積，F(xiàn)h2為第二級(jí)鼠籠小孔已開(kāi)啟的通流面積，F(xiàn)h3為第二級(jí)鼠籠小孔未開(kāi)啟的通流面積，F(xiàn)s為套筒的通流面積；p0為閥前壓力，pa為經(jīng)第一級(jí)鼠籠以及滑閥下間隙后的壓力，pb為第二級(jí)鼠籠后的壓力，pc為第一次流過(guò)滑閥上間隙后的壓力，pd為第二次流過(guò)滑閥上間隙后的壓力，pe為閥后壓力；Q1～Q7分別為蒸汽流經(jīng)各處的流量。 根據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)及流量守恒方程可知：

        （7）

    在不同開(kāi)度下，F(xiàn)h1、Fh2、Fh3隨之發(fā)生變化，可根據(jù)前兩級(jí)鼠籠小孔分布計(jì)算得出，F(xiàn)g1、Fg2可根據(jù)閥門(mén)結(jié)構(gòu)尺寸給出，根據(jù)閥前壓力p0以及閥后壓力pe（即噴嘴前壓力），可求得考慮間隙泄漏后的總流量Q。

    在考慮間隙泄漏后，修正的開(kāi)度－流量特性曲線見(jiàn)圖4。與修正前的曲線相比，主要變化在于小開(kāi)度時(shí)（x＜0.33）蒸汽流量有所增加；而開(kāi)度較大時(shí)（x＞0.33），由于壓差相對(duì)較小，因此間隙泄漏量對(duì)整個(gè)流量的影響較小。

圖4 修正后的流量特性曲線

    3 調(diào)節(jié)閥流量特性的測(cè)試

    調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)臺(tái)原理見(jiàn)圖5，參試設(shè)備主要包括調(diào)節(jié)閥、汽輪機(jī)、負(fù)載等。通過(guò)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的調(diào)整可改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，負(fù)載的變化可使汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)不同功率的輸出。管路上設(shè)置有流量計(jì)、壓力表等，分別用于測(cè)取蒸汽流量、壓力、調(diào)節(jié)閥前后壓力以及汽輪機(jī)排汽壓力等。

圖5 調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)臺(tái)

    在給定蒸汽參數(shù)以及負(fù)載后，對(duì)調(diào)節(jié)閥不同開(kāi)度下的通流量進(jìn)行了測(cè)定。圖6為根據(jù)計(jì)算值及兩次試驗(yàn)結(jié)果所得的開(kāi)度－流量特性曲線。

    由圖6可以看出：試驗(yàn)值與計(jì)算值基本吻合，但在小開(kāi)度狀態(tài)下，試驗(yàn)值略高于計(jì)算值，產(chǎn)生偏差的原因主要有：

圖6 流量特性曲線對(duì)比

    （1）間隙的影響。在計(jì)算中，滑閥與套筒的間隙為給定值，與實(shí)際工作狀態(tài)存在一定的偏差；此外滑閥密封環(huán)處也會(huì)產(chǎn)生一些泄漏，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的泄漏量較計(jì)算值偏大。

    （2）蒸汽參數(shù)以及負(fù)載的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中，蒸汽參數(shù)以及負(fù)載有一定的波動(dòng)區(qū)間，而在小開(kāi)度時(shí)，由于機(jī)組負(fù)載較小，穩(wěn)定性相對(duì)較低，即使蒸汽參數(shù)或負(fù)載微小的波動(dòng)也會(huì)對(duì)汽耗量產(chǎn)生較大影響。

    （3）讀數(shù)誤差。開(kāi)度－流量特性曲線是根據(jù)調(diào)節(jié)閥不同開(kāi)度下蒸汽通流量的測(cè)定所得到的。由于開(kāi)度值是人工讀取的，因此難免存在一定的誤差，特別在小開(kāi)度時(shí)，微小的讀數(shù)誤差都會(huì)對(duì)流量特性曲線產(chǎn)生影響。

    以上三個(gè)方面是造成小開(kāi)度下試驗(yàn)值與計(jì)算值產(chǎn)生偏差的主要原因。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增加，蒸汽流量較大時(shí)其影響減小。

    4 結(jié)語(yǔ)

    試驗(yàn)結(jié)果表明：

    （1）滑閥與套筒之間存在的間隙使調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)的流量較設(shè)計(jì)值有一定的增加，當(dāng)開(kāi)度增大時(shí)，間隙影響逐漸減小。

    （2）調(diào)節(jié)閥流量特性的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，說(shuō)明給出的計(jì)算方法是合理的，可滿足工程計(jì)算需求。

    （3）滑閥間隙、蒸汽參數(shù)以及負(fù)載的波動(dòng)、讀數(shù)誤差等因素是造成小開(kāi)度時(shí)試驗(yàn)值與計(jì)算值偏差的主要原因；在大開(kāi)度時(shí)，以上因素影響較小。