論文摘要：綜述了國內(nèi)外對(duì)非定常復(fù)雜流動(dòng)誘發(fā)的調(diào)節(jié)閥不穩(wěn)定性研究的情況，介紹了筆者今后進(jìn)行此項(xiàng)研究的計(jì)劃和內(nèi)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(diào)節(jié)閥是流體機(jī)械(包括電力機(jī)械、化工機(jī)械、流體動(dòng)力機(jī)械等)中控制通流能力的關(guān)鍵部件，它的工作性能、安全性與整個(gè)裝置的工作性能、效率、可靠性密切相關(guān)。影響其工作性能的因素很多，所以至今各行業(yè)中由調(diào)節(jié)閥引起的各種事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，主要是調(diào)節(jié)閥在某些工況下發(fā)生嚴(yán)重的振動(dòng)問題，甚至引起閥桿斷裂，影響機(jī)組安全平穩(wěn)地運(yùn)行［1］。

     調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其流道為雙喉噴管，如圖1所示。現(xiàn)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(shí)會(huì)出現(xiàn)激波和脫流現(xiàn)象；軸對(duì)稱系統(tǒng)的不穩(wěn)定性將引起氣流的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)；由閥座形成的第二段噴管也是一個(gè)不穩(wěn)定因素，擴(kuò)張角過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)脫流和不穩(wěn)定流動(dòng)。調(diào)節(jié)閥內(nèi)部呈現(xiàn)出復(fù)雜的流態(tài)分布和變化規(guī)律，是典型的非定常復(fù)雜內(nèi)流問題，目前尚不能建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。因此這方面的科研工作必須以試驗(yàn)為主，有必要建立相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)(工質(zhì)以空氣為宜)進(jìn)行試驗(yàn)［2］。
     國內(nèi)由于各種原因?qū)α黧w誘發(fā)調(diào)節(jié)閥振動(dòng)的問題缺乏研究和試驗(yàn)。國外利用紋影技術(shù)進(jìn)行過二維軸對(duì)稱模型的可視化實(shí)驗(yàn)研究及三元模型試驗(yàn)［2］。但是實(shí)際閥門由于流態(tài)變化誘發(fā)振動(dòng)的流場并沒有顯示出來，引起振動(dòng)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(dòng)顯示是實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的一個(gè)重要組成部分，它的主要任務(wù)是把流體的某些性質(zhì)加以直觀表示，以便對(duì)流動(dòng)獲得全面的認(rèn)識(shí)，因而成為實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)中一個(gè)長盛不衰的課題。PIV技術(shù)就是在流動(dòng)顯示基礎(chǔ)上，利用圖形圖象處理技術(shù)的類似做法發(fā)展起來的一種新的流動(dòng)測量技術(shù)［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(tài)速度矢量場。它綜合了單點(diǎn)測量技術(shù)和流動(dòng)顯示測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩種測量技術(shù)的弱點(diǎn)而形成的，既具備了單點(diǎn)測量技術(shù)的精度和分辨率，又能獲得平面流場顯示的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖象。這正是我們研究非定常流動(dòng)所必須的測試手段。采用PIV等先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段進(jìn)行三元可視化實(shí)驗(yàn)與相應(yīng)的理論研究，更完全地掌握閥門非定常流動(dòng)的特點(diǎn)和不穩(wěn)定的機(jī)理，以便從根本上消除或減少閥體內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)的產(chǎn)生根源，提出改進(jìn)閥門和閥座的優(yōu)化型線，提高閥門的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。該研究既具有十分重要的科學(xué)意義，又具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
     2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
     2.1　國內(nèi)研究現(xiàn)狀
     早在60年代，我國進(jìn)行過一些中壓和高壓汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)試驗(yàn)，不過試驗(yàn)的目的在于得到調(diào)節(jié)閥的流量、提升力等隨升程—壓比的變化特性。在此期間，還對(duì)引進(jìn)的調(diào)節(jié)閥型線作過一些改進(jìn)［5］。當(dāng)時(shí)由于缺乏測試手段，這些試驗(yàn)并未涉及閥門穩(wěn)定性的問題。直至90年代，利用簡單的試驗(yàn)裝置，在核電機(jī)組上進(jìn)行過消聲罩調(diào)節(jié)閥的試驗(yàn)與分析研究［6］。
     2.2　國外研究現(xiàn)狀
     國外不少廠商在70年代后期開展了調(diào)節(jié)閥流體振動(dòng)方面的試驗(yàn)研究，如前蘇聯(lián)、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(shí)閥內(nèi)流譜和汽道內(nèi)激波的位置及變化過程；在小升程、小壓比時(shí)為高速自由射流，匯集于閥碟下方引起高頻振動(dòng)和噪聲；當(dāng)升程和壓比繼續(xù)增大時(shí)，自由射流轉(zhuǎn)變?yōu)楦街?，由于流型改變和附著表面的變化而呈現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)，引起幾百赫芝的大振幅低頻振動(dòng)。以后發(fā)展的三元模型試驗(yàn)，測量閥碟與閥座個(gè)別點(diǎn)處壓力變動(dòng)以及閥碟三個(gè)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(jì)，通過沿全部表面的積分得到作用于閥碟上的脈動(dòng)力。
     2.2.1　前蘇聯(lián)的研究工作［7］
     前蘇聯(lián)以莫斯科動(dòng)力學(xué)院為代表，對(duì)調(diào)節(jié)閥的可靠性和阻力等問題進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。以球型閥為例，在閥碟和閥座表面上進(jìn)行了鉆孔取壓試驗(yàn)。閥門在全升程時(shí)，表面壓力變化就很劇烈；部分開啟時(shí)的流動(dòng)圖象更為復(fù)雜。為保證閥碟上的穩(wěn)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(fù)作用。這種結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥1983年使用于K—300—240機(jī)組中，設(shè)計(jì)開度下的阻力低(約為初壓的1%)，振動(dòng)值也低。
     2.2.2　法國工業(yè)力學(xué)技術(shù)中心的研究［2］
     用球形閥進(jìn)行二維模型或軸對(duì)稱模型試驗(yàn)，工質(zhì)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(shí)射流束沿軸相匯，形成一流層，把下游汽流與閥碟底部產(chǎn)生的孔穴隔離開來。孔穴由于卷吸作用而產(chǎn)生真空，反過來又使流層變形。當(dāng)真空不能抵抗下游高壓流體的滲入時(shí)，流層就破裂，于是回復(fù)到初始狀態(tài)。如此反復(fù)開始了不穩(wěn)定階段。為限制由于射流束匯合而產(chǎn)生的不穩(wěn)定，要采用帶型線的閥碟，使之滿足：(1)流動(dòng)的穩(wěn)定性；(2)短距離內(nèi)的有效混合；(3)下游沒有任何流體旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)。

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     改進(jìn)方法是在接觸環(huán)處噴嘴開始的地方加工出多條擴(kuò)散狀凹槽，分別布置在噴嘴中，由相同尺寸的常規(guī)噴嘴分隔開，如圖3所示。這樣兩股汽流在交界面處發(fā)生強(qiáng)烈混合。由于粘性耗散的影響，如果激波發(fā)生，強(qiáng)度屬于中等。這種混合極其復(fù)雜，難以計(jì)算，但誘發(fā)的擾動(dòng)消除了。

     2.2.3　日本的研究［1］
     (1)東芝公司開發(fā)了平衡型調(diào)節(jié)閥［8］。它由主閥碟和預(yù)啟閥組成，通過改變預(yù)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(jī)組中。
     (2)日立公司開發(fā)了防振型調(diào)節(jié)閥［9］。通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，確認(rèn)調(diào)節(jié)閥振動(dòng)主要是由于在閥碟周圍不對(duì)稱、不穩(wěn)定的流動(dòng)使閥碟激振而引起的。改進(jìn)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(shè)缺口棱邊，使汽流從閥碟表面強(qiáng)制分離?？諝庠囼?yàn)和蒸汽試驗(yàn)表明按此方法研制的防振型調(diào)節(jié)閥減振效果明顯，已用于火電機(jī)組中。
     雖然閥門在原始設(shè)計(jì)時(shí)都經(jīng)過空氣模擬吹風(fēng)試驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際工作狀態(tài)之間有一定的差異，在實(shí)際工作中仍會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。從目前掌握的資料看，存在的主要問題是：調(diào)節(jié)閥在一定的壓比和開度下，可能出現(xiàn)自由射流和閥碟或閥座附著流的交替轉(zhuǎn)變，引起不穩(wěn)定流動(dòng)。對(duì)于解決閥門振動(dòng)事故，可以采取從結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)的方法，現(xiàn)場還可采用調(diào)整振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的手段來限制振動(dòng)響應(yīng)水平。但這些都是消極的方法，根本的措施是從流體動(dòng)力學(xué)角度研究閥門內(nèi)的不穩(wěn)定流動(dòng)，從而找出原因，消除振動(dòng)［10］。總之，調(diào)節(jié)閥內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，同時(shí)具有隨機(jī)振動(dòng)的特征，但三元流動(dòng)性質(zhì)并不十分清楚。因此要進(jìn)一步研究實(shí)際閥門的三元流動(dòng)規(guī)律，使調(diào)節(jié)閥改造更有效。
     3　今后的研究計(jì)劃
     今后對(duì)非定常復(fù)雜流動(dòng)誘發(fā)調(diào)節(jié)閥不穩(wěn)定的研究應(yīng)以實(shí)驗(yàn)研究為主，輔之以數(shù)值計(jì)算。我們計(jì)劃在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、加工幾種目前最常用的典型調(diào)節(jié)閥(如OPⅡ—85型、G-Ⅰ型、EC—301型等)的試驗(yàn)件，通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算的方法，考察各閥門在不同壓比、不同升程下產(chǎn)生不穩(wěn)定時(shí)的流場性質(zhì)，找出引起振動(dòng)的主要因素并提出消振措施，進(jìn)而改進(jìn)閥門型線設(shè)計(jì)。為此，擬采取以下手段：
     (1)用PIV技術(shù)進(jìn)行流場顯示及測量，提供流場速度矢量分布規(guī)律；
     (2)用高速攝影技術(shù)進(jìn)行振動(dòng)參數(shù)的測量；
     (3)用高頻采集系統(tǒng)測量瞬態(tài)關(guān)鍵部位的壓力分布規(guī)律。
     利用上述三種技術(shù)進(jìn)行流動(dòng)?；囼?yàn)研究，獲得各閥關(guān)鍵部位的重要技術(shù)數(shù)據(jù)，并歸納、分析其規(guī)律性。
     (4)在已有計(jì)算軟件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)計(jì)算調(diào)節(jié)閥非定常、超音速流場的計(jì)算程序，并用試驗(yàn)予以驗(yàn)證和完善。
     整個(gè)工作分為試驗(yàn)部分和數(shù)值計(jì)算部分。
     3.1　試驗(yàn)部分
     包括試驗(yàn)件及其進(jìn)出口連接段的設(shè)計(jì)和加工、試驗(yàn)臺(tái)的安裝及系統(tǒng)調(diào)試、測量和顯示試驗(yàn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析等。
     3.2　數(shù)據(jù)整理歸納和數(shù)值計(jì)算部分
     對(duì)幾種閥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、歸納、分析；進(jìn)一步開發(fā)紊流場的計(jì)算程序，找出閥門流動(dòng)不穩(wěn)定的影響因素，提出改進(jìn)措施；結(jié)合試驗(yàn)結(jié)論和數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以設(shè)計(jì)一種改進(jìn)型線或結(jié)構(gòu)的新型閥門，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充試驗(yàn)和數(shù)值模擬，驗(yàn)證新型閥門的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。
     4　總結(jié)
     調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜的，其內(nèi)部不穩(wěn)定流動(dòng)是典型的非定常復(fù)雜內(nèi)流問題，也是流體力學(xué)研究中具有前沿性的研究課程。以前在實(shí)驗(yàn)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(dòng)的原因。采用PIV等當(dāng)今最先進(jìn)的流動(dòng)測量和顯示技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的三元可視化模型試驗(yàn)，以獲得第一手有關(guān)流體誘發(fā)振動(dòng)的重要資料，并通過理論分析和數(shù)值計(jì)算找出引起閥體振動(dòng)的主要因素，以便為結(jié)構(gòu)或型線改進(jìn)提供重要的技術(shù)依據(jù)。
     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(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院。
     屠珊（西安交通大學(xué)）
毛靖儒（西安交通大學(xué)）
孫弼（西安交通大學(xué)）
     參 考 文 獻(xiàn)
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［2］　徐源濱譯.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥中的流動(dòng)不穩(wěn)定性研究.汽輪機(jī)技術(shù)，1984；(1)
［3］　連其祥.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展?fàn)顩r——復(fù)雜流動(dòng)的觀測.現(xiàn)代流體力學(xué)進(jìn)展，科學(xué)出版社，1991
［4］　盛森芝等.飛速發(fā)展中的流動(dòng)測量技術(shù).在第三屆第三次全國氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)測控自動(dòng)化技術(shù)交流會(huì)上的報(bào)告
［5］　王平子.我國研制的新型“G—Ⅰ”型調(diào)節(jié)閥.動(dòng)力工程，1987；(1)
［6］　朱丹書.消聲罩調(diào)節(jié)閥的試驗(yàn)與分析.上海汽輪機(jī)，1998；(2)
［7］　王平子.大型汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的研究動(dòng)向.東方汽輪機(jī)，1993；(2)
［8］　荒木達(dá)雄等.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的流體振動(dòng).汽輪機(jī)技術(shù)，1983；(4)
［9］　橫田光久等.汽輪機(jī)蒸汽控制閥的新技術(shù).動(dòng)力譯報(bào)，1982；(2)
［10］　薛沐睿，朱丹書，裴嘉祥.消除汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流體誘發(fā)振動(dòng)的試驗(yàn)與探討.動(dòng)力工程，1987；(5)
     

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