1前言
調(diào)節(jié)閥是流體機械（包括電力機械、化工機械、流體動力機械等）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有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，主要是調(diào)節(jié)閥在某些工況下發(fā)生嚴(yán)重的振動問題，甚至引起閥桿斷裂，影響機組安全平穩(wěn)地運行。
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，在壓比較小時會出現(xiàn)激波和脫流現(xiàn)象；軸對稱系統(tǒng)的不穩(wěn)定性將引起氣流的強烈旋轉(zhuǎn)；由閥座形成的第二段噴管也是一個不穩(wěn)定因素，擴張角過大時會出現(xiàn)脫流和不穩(wěn)定流動。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為主，有必要建立相應(yīng)的試驗臺（工質(zhì)以空氣為宜）進(jìn)行試驗。
國內(nèi)由于各種原因?qū)α黧w誘發(fā)調(diào)節(jié)閥振動的問題缺乏研究和試驗。國外利用紋影技術(shù)進(jìn)行過二維軸對稱模型的可視化實驗研究及三元模型試驗。但是實際閥門由于流態(tài)變化誘發(fā)振動的流場并沒有顯示出來，引起振動的原因沒有*搞清楚，主要是缺乏可靠、有效的測試手段。
流動顯示是實驗流體力學(xué)的一個重要組成部分，它的主要任務(wù)是把流體的某些性質(zhì)加以直觀表示，以便對流動獲得全面的認(rèn)識，因而成為實驗流體力學(xué)中一個長盛不衰的課題。piv技術(shù)就是在流動顯示基礎(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測量技術(shù)。粒子成象測速法piv（particleimagevelocimetry）可用于測量流場各截面上的瞬態(tài)速度矢量場。它綜合了單點測量技術(shù)和流動顯示測量技術(shù)的優(yōu)點，克服了兩種測量技術(shù)的弱點而形成的，既具備了單點測量技術(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所必須的測試手段。采用piv等*的實驗技術(shù)手段進(jìn)行三元可視化實驗與相應(yīng)的理論研究，更*地掌握閥門非定常流動的特點和不穩(wěn)定的機理，以便從根本上消除或減少閥體內(nèi)不穩(wěn)定流動的產(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)濟價值。
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調(diào)節(jié)閥的氣動試驗，不過試驗的目的在于得到調(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，還對引進(jìn)的調(diào)節(jié)閥型線作過一些改進(jìn)。當(dāng)時由于缺乏測試手段，這些試驗并未涉及閥門穩(wěn)定性的問題。直至90年代，利用簡單的試驗裝置，在核電機組上進(jìn)行過消聲罩調(diào)節(jié)閥的試驗與分析研究。
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)閥流體振動方面的試驗研究，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、小壓比時為高速自由射流，匯集于閥碟下方引起高頻振動和噪聲；當(dāng)升程和壓比繼續(xù)增大時，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，引起幾百赫芝的大振幅低頻振動。以后發(fā)展的三元模型試驗，測量閥碟與閥座個別點處壓力變動以及閥碟三個方向的加速度值。其方法是在閥碟表面嵌入微型壓力傳感器與加速度計，通過沿全部表面的積分得到作用于閥碟上的脈動力。
2.2.1前蘇聯(lián)的研究工作
前蘇聯(lián)以莫斯科動力學(xué)院為代表，對調(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。閥門在全升程時，表面壓力變化就很劇烈；部分開啟時的流動圖象更為復(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機組中，設(shè)計開度下的阻力低（約為初壓的1%），振動值也低。
2.2.2法國工業(yè)力學(xué)技術(shù)中心的研究
用球形閥進(jìn)行二維模型或軸對稱模型試驗，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)生的孔穴隔離開來?？籽ㄓ捎诰砦饔枚a(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，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。
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)生強烈混合。由于粘性耗散的影響，如果激波發(fā)生，強度屬于中等。這種混合極其復(fù)雜，難以計算，但誘發(fā)的擾動消除了。
2.2.3日本的研究
（1）東芝公司開發(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，已用在很多火電機組中。
（2）日立公司開發(fā)了防振型調(diào)節(jié)閥。通過大量的實驗研究，確認(rèn)調(diào)節(jié)閥振動主要是由于在閥碟周圍不對稱、不穩(wěn)定的流動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制分離?？諝庠囼灪驼羝囼灡砻靼创朔椒ㄑ兄频姆勒裥驼{(diào)節(jié)閥減振效果明顯，已用于火電機組中。
雖然閥門在原始設(shè)計時都經(jīng)過空氣模擬吹風(fēng)試驗，但實驗條件與實際工作狀態(tài)之間有一定的差異，在實際工作中仍會出現(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。對于解決閥門振動事故，可以采取從結(jié)構(gòu)上加強的方法，現(xiàn)場還可采用調(diào)整振動系統(tǒng)參數(shù)的手段來限制振動響應(yīng)水平。但這些都是消極的方法，根本的措施是從流體動力學(xué)角度研究閥門內(nèi)的不穩(wěn)定流動，從而找出原因，消除振動?？傊?，調(diào)節(jié)閥內(nèi)不穩(wěn)定流動屬于強迫振動，同時具有隨機振動的特征，但三元流動性質(zhì)并不十分清楚。因此要進(jìn)一步研究實際閥門的三元流動規(guī)律，使調(diào)節(jié)閥改造更有效。
3今后的研究計劃
今后對非定常復(fù)雜流動誘發(fā)調(diào)節(jié)閥不穩(wěn)定的研究應(yīng)以實驗研究為主，輔之以數(shù)值計算。我們計劃在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計、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）的試驗件，通過實驗研究和數(shù)值計算的方法，考察各閥門在不同壓比、不同升程下產(chǎn)生不穩(wěn)定時的流場性質(zhì)，找出引起振動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。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?；囼炑芯?，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）在已有計算軟件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)計算調(diào)節(jié)閥非定常、超音速流場的計算程序，并用試驗予以驗證和完善。
整個工作分為試驗部分和數(shù)值計算部分。
3.1試驗部分
包括試驗件及其進(jìn)出口連接段的設(shè)計和加工、試驗臺的安裝及系統(tǒng)調(diào)試、測量和顯示試驗、試驗數(shù)據(jù)整理分析等。
3.2數(shù)據(jù)整理歸納和數(shù)值計算部分
對幾種閥的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、歸納、分析；進(jìn)一步開發(fā)紊流場的計算程序，找出閥門流動不穩(wěn)定的影響因素，提出改進(jìn)措施；結(jié)合試驗結(jié)論和數(shù)值計算結(jié)果可以設(shè)計一種改進(jìn)型線或結(jié)構(gòu)的新型閥門，并進(jìn)行相應(yīng)的補充試驗和數(shù)值模擬，驗證新型閥門的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。
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。以前在實驗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的原因。采用piv等當(dāng)今的流動測量和顯示技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的三元可視化模型試驗，以獲得*手有關(guān)流體誘發(fā)振動的重要資料，并通過理論分析和數(shù)值計算找出引起閥體振動的主要因素，以便為結(jié)構(gòu)或型線改進(jìn)提供重要的技術(shù)依據(jù)。