The Influence of Vortex Flow Structure Formation Conditions in a Steam Turbine Control Valve on Energy Losses
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-6-117-122Keywords:
control valve, valve box, aerodynamic rib, separating rib, hydraulic resistanceAbstract
The article addresses the pressing issue of achieving more efficient and reliable operation of steam turbine units by improving the performance of steam distribution elements—the elbow type control valve. Unlike the majority of studies, which place focus on optimizing the geometry of the passage between the valve cup and seat, the influence of the valve box design and dimensions is examined.
The aim of the study is to analyze the influence of valve box geometric parameters on the flow structure and, consequently, on the hydraulic resistance coefficient. The methodological basis of the study is numerical modeling using the RANS approach (solving the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations) and the k-epsilon Realizable turbulence model in the Ansys software package. This method was chosen based on its optimal balance of computational efficiency and accuracy for engineering problems of this class.
Three valve box design versions were analyzed: a basic symmetrical design, one with the addition of a standard separating rib, and an asymmetrical design with an offset valve seat. Calculations have shown that in the basic design a complex vortex structure is produced, resulting in a high hydraulic resistance coefficient. Installation of a separating rib improves the situation only slightly, whereas an asymmetric configuration results in that the flow pattern alters dramatically, and the lowest hydraulic resistance coefficient value is achieved.
References
1. Зарянкин А.Е. и др. К вопросу о рациональной форме седел регулирующих клапанов паровых турбин // Тяжелое машиностроение. 2007. № 10. С. 2—6.
2. Зарянкин А.Е., Савин С.В., Григорьев Е.Ю. Математическое моделирование течений в угловом быстродействующем запорно-отсечном клапане // Вестник МЭИ. 2013. № 2. С. 15—21.
3. Domnick C.B. e. a. Investigation on Flow Induced Vibrations of a Steam Turbine Inlet Valve Considering Fluid Structure Interaction Effects // J. Engineering Gas Turbines and Power. 2017. V. 2(139). P. 022507.
4. Domnick C.B. e. a. Numerical Investigation on the Time-variant Flow Field and Dynamic Forces Acting in Steam Turbine Inlet Valves // J. Engineering Gas Turbines and Power. 2015. V. 137(8). P. 081601.
5. Зарянкин А.Е. и др. Разгруженные дроссельно-регулирующие клапаны нового поколения для паровых турбин // Вестник Ивановского гос. энергетического ун-та. 2014. № 6. С. 11—17.
6. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Регулирующие и стопорно-регулирующие клапаны паровых турбин. М.: Изд-во МЭИ, 2005.
7. Domnick C.B. Bernhard B.D. Flow-induced Steam Valve Vibrations — a Literature Review of Excitation Mechanisms, Preventive Measures, and Design Improvements // J. Engineering Gas Turbines and Power. 2018. V. 141(5). P. 051009.
8. Коротков В.В. Исследование и разработка стопорно-регулирующих клапанов, обладающих повышенной надежностью и низким аэродинамическим сопротивлением: автореф. дис. ... кан. тех. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2003.
9. Грибин В.Г. Результаты исследования регулирующего клапана с обратным подводом пара // Теплоэнергетика. 2023. № 6. С. 56—66.
10. Послевоенное восстановление ЛМЗ [Электрон. ресурс] https://museum.power-m.ru/plants/lmz/history/poslevoennoe-vosstanovlenie/?ysclid=mg6wao8afu299796611 (дата обращения 15.09.2025).
11. Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. СПб: Изд-во Политехн. ун-та. 2012.
12. Идельчик И.Е. Гидравлические сопротивления. Физико-механические основы. М.: Госэнергоиздат, 1954.
---
Для цитирования: Грибин В.Г., Мит-рохова О.М., Нестеров П.М., Митрохов С.Н. Результаты исследования влияния на потери энергии условий формирования вихревой структуры потока в регулирующем клапане паровой турбины // Вестник МЭИ. 2025. № 6. С. 117—122. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-6-117-122
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Zaryankin A.E. i dr. K Voprosu o Ratsional'noy Forme Sedel Reguliruyushchikh Klapanov Parovykh Turbin. Tyazheloe Mashinostroenie. 2007;10:2—6. (in Russian).
2. Zaryankin A.E., Savin S.V., Grigor'ev E.Yu. Matematicheskoe Modelirovanie Techeniy v Uglovom Bystrodeystvuyushchem Zaporno-otsechnom Klapane. Vestnik MEI. 2013;2:15—21. (in Russian).
3. Domnick C.B. e. a. Investigation on Flow Induced Vibrations of a Steam Turbine Inlet Valve Considering Fluid Structure Interaction Effects. J. Engineering Gas Turbines and Power. 2017;2(139):022507.
4. Domnick C.B. e. a. Numerical Investigation on the Time-variant Flow Field and Dynamic Forces Acting in Steam Turbine Inlet Valves. J. Engineering Gas Turbines and Power. 2015;137(8):081601.
5. Zaryankin A.E. i dr. Razgruzhennye Drossel'no-reguliruyushchie Klapany Novogo Pokoleniya dlya Parovykh Turbin. Vestnik Ivanovskogo Gos. Energeticheskogo Un-ta. 2014;6:11—17. (in Russian).
6. Zaryankin A.E., Simonov B.P. Reguliruyushchie i Stoporno-reguliruyushchie Klapany Parovykh Turbin. M.: Izd-vo MEI, 2005. (in Russian).
7. Domnick C.B. Bernhard B.D. Flow-induced Steam Valve Vibrations — a Literature Review of Excitation Mechanisms, Preventive Measures, and Design Improvements. J. Engineering Gas Turbines and Power. 2018;141(5):051009.
8. Korotkov V.V. Issledovanie i Razrabotka Stoporno-reguliruyushchikh Klapanov, Obladayushchikh Povyshennoy Nadezhnost'yu i Nizkim Aerodinamicheskim Soprotivleniem: Avtoref. Dis. ... Kan. Tekh. Nauk. M.: Izd-vo MEI, 2003. (in Russian).
9. Gribin V.G. Rezul'taty Issledovaniya Reguliruyushchego Klapana s Obratnym Podvodom Para. Teploenergetika. 2023;6:56—66. (in Russian).
10. Poslevoennoe Vosstanovlenie LMZ [Elektron. Resurs] https://museum.power-m.ru/plants/lmz/history/poslevoennoe-vosstanovlenie/?ysclid=mg6wao8afu299796611 (Data Obrashcheniya 15.09.2025). (in Russian).
11. Garbaruk A.V., Strelets M.Kh., Shur M.L. Modelirovanie Turbulentnosti v Raschetakh Slozhnykh Techeniy. SPb: Izd-vo Politekhn. Un-ta. 2012. (in Russian).
12. Idel'chik I.E. Gidravlicheskie Soprotivleniya. Fiziko-mekhanicheskie osnovy. M.: Gosenergoizdat, 1954. (in Russian)
---
For citation: Bulatov R.V., Petrakova T.V., Balaev P.A., Khisamov R.R. Application of Lithium-ion Battery Electricity Storage Systems to Improve the Electric Power System Transient Stability Conditions. Bulletin of MPEI. 2025;6:117—122. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-6-117-122
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
