0 前言
        汽輪機為了與外界負荷保持平衡，經常需要調整其功率，而決定汽輪機功率的最重要也是最容易控制的因素是汽輪機的進汽量。目前常見的汽輪機配汽方式主要包括：噴嘴配汽、節流配汽、滑壓配汽、全電調式配汽、旁通配汽。噴嘴配汽作為最常見的配汽方式，主要由部分進汽度可變的調節級和采用多閥系統的調節閥組成。汽輪機第一通流級靜葉分成若干個“噴嘴組”，與相同數量的調節閥相連，閥后空間相互隔開，允許各噴嘴組前建立不同的壓力，通過不同的流量，二者共同參與流量的調節。
        通常噴嘴配汽調節級動葉承受最大強度時，一般不是發生在最大流量工況下，而是發生在第二組調節閥將開未開時。為了擴大低負荷節流配汽運行段，改善調節級動葉強度設計條件和氣動階段進汽加熱均勻性，設計者可采用Ⅰ閥、Ⅱ閥同步開啟，或Ⅰ閥、Ⅱ閥閥后聯通的方式［1］
        Ⅰ閥、Ⅱ閥閥后聯通的方式可有效減小在低負荷運行、小流量調節時葉片的汽流彎應力，提高機組運行的安全可靠性。通常一個調節閥與一個噴嘴組對應，兩個流道相互獨立，即閥Ⅰ對應噴嘴組Ⅰ，閥Ⅱ對應噴嘴組Ⅱ，以下簡稱原閥，如圖1（a）；而聯通閥則是將閥后流道聯通，即閥Ⅰ對應噴嘴組Ⅰ、噴嘴組Ⅱ，閥Ⅱ也對應噴嘴組Ⅰ、噴嘴組Ⅱ，以下簡稱聯通閥，如圖1（b）。這樣不但降低了葉片強度，提高了穩定性，而且兩閥聯通與單個大尺寸閥門相比，該結構也不會產生因閥門面積增大而增加油動機負擔的問題。

圖1 調節閥示意圖

        1 聯通閥的計算
        通常在第一個閥打開后，后續閥門的開啟應選取合適的重迭度，以使流量升程曲線線性化，避免因下一閥打開初期流量增加、功率減小引起負荷的擺動。對于本文閥門，重迭量取8mm，原閥組流量升程曲線如圖2所示，在后續閥門開啟時流量曲線變化率不大，流量過渡平穩。

圖2 閥組升程－流量曲線

        當采用聯通閥結構型式，其流量的計算與原閥有所不同。閥后噴嘴有流量公式
        （1）
        式中，p1、υ1為噴嘴前、調節閥后蒸汽壓力、比容；Fc為噴嘴喉部面積；μ為噴嘴流量系數；βc為噴嘴彭臺門系數。
        由于閥門的節流作用，焓值不變，即有p0v0=p1v1，公式變為
        （2）
        對于聯通閥結構，當閥門Ⅰ開啟時，與原閥相比，此時噴嘴面積擴大為原來的2倍，當流量與原流量相同時，閥后壓力p1僅有原閥的一半，而調節閥彭臺門系數βv也相應改變，因此函數Qv=f（Qvcr，βv）發生變化，如圖3所示。

圖3 實際流量－臨界流量曲線

        對于閥門Ⅰ、閥門Ⅱ：
        （3）
        式中，QⅠcr、QⅡcr為閥Ⅰ、閥Ⅱ臨界流量；βⅠ、βⅡ為閥Ⅰ、閥Ⅱ彭臺門系數；QZ為閥Ⅰ、閥Ⅱ總流量；Qc為閥后噴嘴流量。
        而彭臺門系數僅為閥后壓力的函數，而閥Ⅰ與閥Ⅱ閥后壓力相同，因此βⅠ=βⅡ=βv，則

圖4 閥組升程－流量曲線對比 

       
        又有Qvcr=f（L），再根據上文得到的新的函數關系Qv=f（Qvcr，βv），聯立即可求出閥Ⅰ、閥Ⅱ的總流量QZ，則閥組的流量升程曲線如圖4所示。
        可以看出，聯通閥在閥Ⅱ開啟初期出現了流量的突然上升，這是由于閥Ⅰ對應的噴嘴面積增大，在開啟過程中壓力隨升程升高較原閥緩慢，在相同升程時彭臺門系數比原閥要大，因此流量也相對增大。    
        2 閥門型線的設計
        為了避免升程為8＜L＜16時流量突增的情況，需對現有的閥門型線做出調整，可改變的型線有：閥Ⅰ升程8＜L＜16的型線，或閥Ⅱ升程0＜L＜8的型線。綜合考慮結構以及工作量等因素，決定對閥Ⅰ升程8＜L＜16的型線進行改進。
        型線改進方法選擇倒推法，即以給定流量升程曲線為目標函數，求出幾何約束，對型線進行修正，再對修正后的閥門型線進行驗算。本文以原閥流量升程QY為目標曲線，即圖4中“原閥”在升程為8＜L＜16時的流量曲線，則有
       

        若忽略閥門型線修正后帶來的影響，用原閥門型線ΦⅠ值近似代替ΦA，βv值近似代替βAv，則可求出目標喉部面積－升程曲線，如圖5所示。

圖5 目標喉部面積－升程曲線

        在得到目標喉部面積后，即可確定閥門型線，對于閥Ⅰ新型線在L＜8mm時保持不變，在L＞8mm時，根據幾何計算公式：
        （7）
    式中，Y為喉部間隙距中心距離；Δ為喉部間隙距離。
        調整Y與Δ的值，使FAv'等于FAv，并保證型線光滑、連續，在得到不同升程時的Y值后，及可構造出閥門型線，如圖6所示。

圖6 新閥門型線

        3 閥門型線的驗算
        在得到新的閥門型線后，需對其進行重新復算，以驗證結果的準確性并考核新型線閥門的流量特性。根據前面介紹的CFD計算方法，將新型線閥Ⅰ與閥Ⅱ進行聯算，分別得到臨界流量、彭臺門系數等值，如圖7、圖8所示。
        根據上述計算結果并結合前面的公式，可得到以下關系式：
        （8）

圖7 新型線臨界流量－升程曲線

圖8 新型線閥后壓力－彭臺門系數曲線

        聯立求解以上7個方程，得到Qv=f（L），即新型線聯通閥的流量升程曲線，如圖9。從圖中可以看出新聯通閥流量特性曲線與原閥在升程L＜16mm時基本相同，避免了原聯通閥出現的流量曲率不光滑的現象，使流量在閥Ⅱ開啟后平穩過渡，達到設計要求。

圖9 新型線流量－升程曲線對比

        4 結論    
        為了擴大低負荷節流配汽運行段，改善調節級動葉強度設計條件，本文對調節閥組采用了閥后聯通的結構型式。根據理論公式推導，結合CFD數值模擬手段得到了閥門的流量特性。運用倒推法對閥門型線進行了改進，以給定流量升程曲線為目標函數，求出幾何約束，對型線進行修正，再對新的閥門型線進行驗算，得到了比較滿意的結果。
        參考文獻
        ［1］中國動力工程學會．火力發電設備技術手冊［M］．北京：機械工業出版社，2004．