電站汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥振動試驗(yàn)研究

1、電站汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥振動試驗(yàn)研究1 調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣流振蕩引起的閥桿振動 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動是復(fù)雜的非定常三維可壓湍流流動，閥體內(nèi)流動所引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象是一種綜合效應(yīng)，一般來講，閥門中的流動是非定常的，閥門的振動是流固耦合的。閥桿的振動形式有橫向振動和軸向振動兩種，這兩種振動的頻率并不相同。僅就汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門安全性而言，類似閥桿斷裂1.2、閥桿振動3、閥座拔起1等事故曾經(jīng)發(fā)生，而調(diào)節(jié)閥氣體流動的不穩(wěn)定是導(dǎo)致閥體振動的主要原因5。由于調(diào)節(jié)閥要在不同的開度下工作，要求它在各種工況下都能穩(wěn)定工作， 所以對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)和研究十分必要。本文以電站汽輪機(jī)常用的調(diào)節(jié)閥作為研究對象。 2 旋渦誘發(fā)的振動 調(diào)節(jié)閥

2、進(jìn)口氣體流向閥桿和閥瓣， 閥桿和閥瓣周圍的流態(tài)是圓柱體繞流的情況。在尾流中形成一個規(guī)則的旋渦流型，這種旋渦流動和圓柱體的運(yùn)動相互作用，并且成為旋渦誘發(fā)振動效應(yīng)的根源。當(dāng)雷諾數(shù)從300到大約3105的范圍內(nèi)時，旋渦會以一個相當(dāng)明確的頻率周期性地脫落6。對于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的閥桿和閥瓣來說，如果旋渦脫落頻率恰好接近或等于閥桿的固有頻率時，會造成閥桿的振動或共振，進(jìn)而可能造成破壞。對于閥桿- 閥瓣這樣的圓柱體，旋渦脫落頻率分布在很寬的一個頻帶里，其主導(dǎo)頻率為： 式中，St- 斯托羅哈爾數(shù) U-來流速度，m/s l- 特征尺度，m 如果來流的流動速度剛好導(dǎo)致閥桿和閥瓣共振時，不但會對閥體本身造成破壞，而且

3、會增強(qiáng)旋渦的強(qiáng)度，使得與調(diào)節(jié)閥連接的其他構(gòu)件的不穩(wěn)定性增加。所以，要盡量避免使閥體的振動頻率為旋渦脫落頻率的約數(shù)或倍數(shù)，以免產(chǎn)生連鎖效應(yīng)。 3 調(diào)節(jié)閥模型試驗(yàn) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎眯途€閥，介質(zhì)為空氣。由高壓氣源來的空氣進(jìn)入調(diào)節(jié)閥，進(jìn)口和出口方向形成90(圖1)。氣流進(jìn)入閥瓣和閥座間的環(huán)形通道流出后流入閥座，經(jīng)閥座漸擴(kuò)段擴(kuò)壓后排出。試驗(yàn)中，氣體流量、壓力溫度有專門的測量管段和測點(diǎn)，動態(tài)壓力采用直徑為1.6mm的超微型壓力傳感器及其高頻動態(tài)采集系統(tǒng)來測定。在閥門各關(guān)鍵部位都設(shè)置了測點(diǎn)。由于閥座喉部及閥瓣表面是最能直接反映閥內(nèi)流體流動變化情況的， 所以在閥座喉部至少布置3個測點(diǎn)(間隔90布置，記為閥座喉部1

4、、2和3，分別對應(yīng)喉部的下、右、和上方)。另外，在閥座漸擴(kuò)段、收縮段也相應(yīng)布置了測點(diǎn)。 4 閥桿- 閥瓣的固有頻率 由于閥桿- 閥瓣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其橫向剛性遠(yuǎn)小于軸向剛性，使其低階固有頻率以橫向?yàn)橹?。而軸向固有頻率很大，一般很難發(fā)生低頻大振幅的軸向共振， 軸向振動大多是由于軸向激振力所引起的強(qiáng)迫振動。為了搞清楚調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣體流動與閥桿- 閥瓣固有頻率之間的關(guān)系，本文進(jìn)行了兩種具有不同固有頻率的閥桿- 閥瓣系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥動態(tài)壓力測試和計(jì)算， 即原型閥瓣和增大質(zhì)量的閥瓣(稱為大質(zhì)量閥瓣或閥瓣)。閥桿- 閥瓣各階固有頻率如表1所示。表1 線型閥瓣和原型閥瓣固有頻率固有頻率階次一二三四固有頻率(Hz)閥瓣9.

5、419.8412.5418.8782.3790.5953.1原型閥瓣20.823.1418.8420834.4859.41256 5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 實(shí)驗(yàn)是在不同壓比和相對升程下進(jìn)行的。壓比為閥后與閥前壓力之比，相對升程為閥桿的升程與閥門的配合直徑之比。試驗(yàn)壓比范圍0.400.95，相對升程范圍3.7%41%。本文把相對升程 =10%20%稱為中等升程，壓比=0.60.7稱為中等壓比。動態(tài)壓力脈動的峰- 峰值用p表示。 5.1 閥座喉部 閥座喉部3個測點(diǎn)在不同壓比和相對升程條件下的壓力脈動值如圖2和圖3所示。從圖2看出，閥瓣的閥座喉部1測點(diǎn)在中等相對升程=14.8%時，壓力脈動隨壓比增大而下降，

6、閥座喉部2和3測點(diǎn)的p變化雖然比較平緩，但兩個測點(diǎn)隨增加而變化的趨勢卻相反，可見閥瓣中流動不平衡。在中等升程時，原型閥瓣喉部壓力脈動隨變化平緩，而且對應(yīng)任何壓比，p變化不超過0.2kPa，說明原型閥瓣中氣體流動平穩(wěn)。 圖3表明閥瓣在中等壓比=0.66、=15%20% 時，p 值增大。在其他壓比下，p 比較平緩，而且數(shù)值較小。原型閥瓣在各種壓比下，p 都比較平緩，而且數(shù)值小，說明原型閥瓣的流動穩(wěn)定。 對閥瓣的 5.2 閥座漸擴(kuò)段和收縮段 閥座漸擴(kuò)段的壓力在亞臨界工況時脈動不大。但是當(dāng)壓比和升程較小時，閥門接近或到臨界狀態(tài)，則閥座漸擴(kuò)段和收縮段的壓力脈動增大(圖4)。閥瓣和原型閥瓣的閥座收縮段測點(diǎn)

7、的壓力脈動平緩。閥座漸擴(kuò)段的p隨壓比增大而減小。在中等壓比和中等升程時，閥門內(nèi)氣流脈動雖大，但是氣流脈動頻率與原型閥瓣- 閥桿固有頻率不同，所以閥門不出現(xiàn)共振。 總之，閥瓣在=0.610.7、=15%20%工況范圍， 閥座喉部壓力信號與閥桿的固有頻率合拍，出現(xiàn)與來流平行的橫向共振。另外，在同樣升程范圍、=0.610.64工況，閥桿還同時明顯出現(xiàn)了與來流垂直的橫向振動。通過計(jì)算得出旋渦脫落的主導(dǎo)頻率為250370Hz，與閥瓣的固有頻率相距甚遠(yuǎn)。因此，另一橫向振動不是由于旋渦脫落誘導(dǎo)的閥桿自激振動，而是強(qiáng)迫振動。原型閥瓣在各種工況均未出現(xiàn)流型轉(zhuǎn)變，閥內(nèi)壓力脈動不大。 6 結(jié)語 (1)型線閥的閥瓣和閥座的型線均為錐形，而且閥座擴(kuò)散角不大(3)，試驗(yàn)表明原型調(diào)節(jié)閥沒有明顯的不穩(wěn)定工況和振動現(xiàn)象，而且氣流脈動強(qiáng)度微弱，其穩(wěn)定性良好。 (2)隨著閥瓣質(zhì)量的加大，不穩(wěn)定工況的范圍不論從壓比范圍，還是從相對升程范圍分別都增大了。中小壓比時，改變閥瓣質(zhì)量后閥座喉部動態(tài)壓力脈動幅值比原型的高3040倍。說明該工況閥內(nèi)氣流發(fā)生流型反復(fù)變化的現(xiàn)象。 (3)從振動特性看，大質(zhì)量閥瓣