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(wèn)題，甚至引起閥桿斷裂，影響機(jī)組安全平穩(wěn)地運(yùn)行。
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?，F(xiàn)有研究表明，由閥碟和閥座形成的*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(chēng)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(guò)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(wèn)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)。
國(guó)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(wèn)題缺乏研究和試驗(yàn)。國(guó)外利用紋影技術(shù)進(jìn)行過(guò)二維軸對(duì)稱(chēng)模型的可視化實(shí)驗(yàn)研究及三元模型試驗(yàn)。但是實(shí)際閥門(mén)由于流態(tài)變化誘發(fā)振動(dòng)的流場(chǎng)并沒(méi)有顯示出來(lái)，引起振動(dòng)的原因沒(méi)有*搞清楚，主要是缺乏可靠、有效的測(cè)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(zhǎng)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(lèi)似做法發(fā)展起來(lái)的一種新的流動(dòng)測(cè)量技術(shù)。粒子成象測(cè)速法piv（particleimagevelocimetry）可用于測(cè)量流場(chǎng)各截面上的瞬態(tài)速度矢量場(chǎng)。它綜合了單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)和流動(dòng)顯示測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩種測(cè)量技術(shù)的弱點(diǎn)而形成的，既具備了單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的精度和分辨率，又能獲得平面流場(chǎng)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(cè)試手段。采用piv等*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*地掌握閥門(mén)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(mén)和閥座的優(yōu)化型線(xiàn)，提高閥門(mén)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
早在60年代，我國(guó)進(jìn)行過(guò)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(guò)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(xiàn)作過(guò)一些改進(jìn)。當(dāng)時(shí)由于缺乏測(cè)試手段，這些試驗(yàn)并未涉及閥門(mén)穩(wěn)定性的問(wèn)題。直至90年代，利用簡(jiǎn)單的試驗(yàn)裝置，在核電機(jī)組上進(jìn)行過(guò)消聲罩調(diào)節(jié)閥的試驗(yàn)與分析研究。
2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外不少?gòu)S商在70年代后期開(kāi)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(guó)、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(guò)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(cè)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(guò)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
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(wèn)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(mén)在全升程時(shí)，表面壓力變化就很劇烈；部分開(kāi)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(méi)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(kāi)度下的阻力低（約為初壓的1%），振動(dòng)值也低。
2.2.2法國(guó)工業(yè)力學(xué)技術(shù)中心的研究
用球形閥進(jìn)行二維模型或軸對(duì)稱(chēng)模型試驗(yàn)，工質(zhì)是空氣。
超音速射流的長(zhǎng)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*層，把下游汽流與閥碟底部產(chǎn)生的孔穴隔離開(kāi)來(lái)?？籽ㄓ捎诰砦饔枚a(chǎn)生真空，反過(guò)來(lái)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(kāi)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(xiàn)的閥碟，使之滿(mǎn)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(méi)有任何流體旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)。
改進(jìn)方法是在接觸環(huán)處噴嘴開(kāi)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(kāi)，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）東芝公司開(kāi)發(fā)了平衡型調(diào)節(jié)閥。它由主閥碟和預(yù)啟閥組成，通過(guò)改變預(yù)啟閥行程的方式避開(kāi)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(kāi)發(fā)了防振型調(diào)節(jié)閥。通過(guò)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?chē)粚?duì)稱(chēng)、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(kāi)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(mén)在原始設(shè)計(jì)時(shí)都經(jīng)過(guò)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(wèn)題是：調(diào)節(jié)閥在一定的壓比和開(kāi)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(mén)振動(dòng)事故，可以采取從結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)的方法，現(xiàn)場(chǎng)還可采用調(diào)整振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的手段來(lái)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(mén)內(nèi)的不穩(wěn)定流動(dòng)，從而找出原因，消除振動(dòng)?？傊?，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(mén)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zui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(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算的方法，考察各閥門(mén)在不同壓比、不同升程下產(chǎn)生不穩(wěn)定時(shí)的流場(chǎng)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(mén)型線(xiàn)設(shè)計(jì)。為此，擬采取以下手段：
（1）用piv技術(shù)進(jìn)行流場(chǎng)顯示及測(cè)量，提供流場(chǎng)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(cè)量；
（3）用高頻采集系統(tǒng)測(cè)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)模化試驗(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(kāi)發(fā)計(jì)算調(diào)節(jié)閥非定常、超音速流場(chǎng)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(cè)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(kāi)發(fā)紊流場(chǎng)的計(jì)算程序，找出閥門(mén)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(xiàn)或結(jié)構(gòu)的新型閥門(mén)，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(mén)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(wèn)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(cè)試手段，沒(méi)有從根本上揭示閥門(mén)振動(dòng)的原因。采用piv等當(dāng)今的流動(dòng)測(cè)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*手有關(guān)流體誘發(fā)振動(dòng)的重要資料，并通過(guò)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(xiàn)改進(jìn)提供重要的技術(shù)依據(jù)。