電站汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥振動(dòng)試驗(yàn)研究

     汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動(dòng)是復(fù)雜的非定常三維可壓湍流流動(dòng)，閥體內(nèi)流動(dòng)所引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象是一種綜合效應(yīng)，一般來(lái)講，閥門中的流動(dòng)是非定常的，閥門的振動(dòng)是流固耦合的。閥桿的振動(dòng)形式有橫向振動(dòng)和軸向振動(dòng)兩種，這兩種振動(dòng)的頻率并不相同。僅就汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門**性而言，類似閥桿斷裂^[1.2]、閥桿振動(dòng)^[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(dòng)的不穩(wěn)定是導(dǎo)致閥體振動(dòng)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(duì)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(duì)象。

      2 旋渦誘發(fā)的振動(dòng)

     調(diào)節(jié)閥進(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(gè)規(guī)則的旋???流型，這種旋渦流動(dòng)和圓柱體的運(yùn)動(dòng)相互作用，并且成為旋渦誘發(fā)振動(dòng)效應(yīng)的根源。當(dāng)雷諾數(shù)從300到大約3×10⁵的范圍內(nèi)時(shí)，旋渦會(huì)以一個(gè)相當(dāng)明確的頻率周期性地脫落^[6]。對(duì)于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的閥桿和閥瓣來(lái)說(shuō)，如果旋渦脫落頻率恰好接近或等于閥桿的固有頻率時(shí)，會(huì)造成閥桿的振動(dòng)或共振，進(jìn)而可能造成破壞。對(duì)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(gè)頻帶里，其主導(dǎo)頻率為：

      式中，S_t--斯托羅哈爾數(shù)
              U-- 來(lái)流速度，m/s
              l---  特征尺度，m

     如果來(lái)流的流動(dòng)速度剛好導(dǎo)致閥桿和閥瓣共振時(shí)，不但會(huì)對(duì)閥體本身造成破壞，而且會(huì)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(dòng)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(lái)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(cè)量管段和測(cè)點(diǎn)，動(dòng)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(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)來(lái)測(cè)定。在閥門各關(guān)鍵部位都設(shè)置了測(cè)點(diǎn)。由于閥座喉部及閥瓣表面是*能直接反映閥內(nèi)流體流動(dòng)變化情況的，所以在閥座喉部至少布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)（間隔90°布置，記為閥座喉部1、2和3，分別對(duì)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(cè)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)橹鳌６S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(dòng)大多是由于軸向激振力所引起的強(qiáng)迫振動(dòng)。為了搞清楚調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣體流動(dòng)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(dòng)態(tài)壓力測(cè)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Ⅱ）。閥桿- 閥瓣各階固有頻率如表1所示。

表1  線型閥瓣Ⅱ和原型閥瓣固有頻率 

      5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

     實(shí)驗(yàn)是在不同壓比和相對(duì)升程下進(jìn)行的。壓比ε為閥后與閥前壓力之比，相對(duì)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0.40~0.95，相對(duì)升程范圍3.7%~41%。本文把相對(duì)升程 =10%~20%稱為中等升程，壓比ε=0.6~0.7稱為中等壓比。動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)的峰- 峰值用△p表示。

      5.1 閥座喉部

     閥座喉部3個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同壓比和相對(duì)升程條件下的壓力脈動(dòng)值如圖2和圖3所示。從圖2看出，閥瓣Ⅱ的閥座喉部1測(cè)點(diǎn)在中等相對(duì)升程=14.8%時(shí)，壓力脈動(dòng)隨壓比ε增大而下降，閥座喉部2和3測(cè)點(diǎn)的△p變化雖然比較平緩，但兩個(gè)測(cè)點(diǎn)隨ε增加而變化的趨勢(shì)卻相反，可見閥瓣Ⅱ中流動(dòng)不平衡。在中等升程時(shí)，原型閥瓣喉部壓力脈動(dòng)隨ε變化平緩，而且對(duì)應(yīng)任何壓比，△p變化不超過0.2kPa，說(shuō)明原型閥瓣中氣體流動(dòng)平穩(wěn)。

     圖3表明閥瓣Ⅱ在中等壓比ε=0.66、=15%~20% 時(shí)，△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(shuō)明原型閥瓣的流動(dòng)穩(wěn)定。

      對(duì)閥瓣Ⅱ的=14.8%，ε=0.707工況進(jìn)行頻譜分析可知?jiǎng)討B(tài)壓力信號(hào)中包含9.7~29Hz、390~440Hz等主頻，與閥門固有頻率的一二階合拍，這時(shí)既存在低階大幅振，也存在高階振動(dòng)，是比較危險(xiǎn)的工況。至下，于原型閥瓣，流場(chǎng)脈動(dòng)與閥瓣的固有頻率不同，相對(duì)而言比較穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生振動(dòng)。

      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(shí)脈動(dòng)不大。但是當(dāng)壓比和升程較小時(shí)，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(dòng)增大（圖4）。閥瓣Ⅱ和原型閥瓣的閥座收縮段測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)平緩。閥座漸擴(kuò)段的△p隨壓比ε增大而減小。在中等壓比和中等升程時(shí)，閥門內(nèi)氣流脈動(dòng)雖大，但是氣流脈動(dòng)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Ⅱ在ε=0.61~0.7、=15%~20%工況范圍， 閥座喉部壓力信號(hào)與閥桿的固有頻率合拍，出現(xiàn)與來(lái)流平行的橫向共振。另外，在同樣升程范圍、ε=0.61~0.64工況，閥桿還同時(shí)明顯出現(xiàn)了與來(lái)流垂直的橫向振動(dòng)。通過計(jì)算得出旋渦脫落的主導(dǎo)頻率為250~370Hz，與閥瓣Ⅱ的固有頻率相距甚遠(yuǎn)。因此，另一橫向振動(dòng)不是由于旋渦脫落誘導(dǎo)的閥桿自激振動(dòng)，而是強(qiáng)迫振動(dòng)。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(dòng)不大。

      6 結(jié)語(yǔ)

     （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(dòng)現(xiàn)象，而且氣流脈動(dòng)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(duì)升程范圍分別都增大了。中小壓比時(shí)，改變閥瓣質(zhì)量后閥座喉部動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)幅值比原型的高30~40倍。說(shuō)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(dòng)特性看，大質(zhì)量閥瓣（即閥瓣Ⅱ）在中等壓比、中等升程時(shí)出現(xiàn)低頻振動(dòng)，且強(qiáng)度大。大質(zhì)量閥瓣在ε=0.61~0.7、=15%~20%工況出現(xiàn)橫向共振。在ε=0.61~0.64和相同的升程工況范圍，同時(shí)出現(xiàn)平行于來(lái)流的橫向共振和垂直于來(lái)流的橫向強(qiáng)迫振動(dòng)，后者是由于旋渦脫落引起的。