百万核电汽轮机再热蝶阀阀板气动力矩分析-.pdf

第 4 4卷第 1期 2 0 1 5年 3月 热 力 透 平 T HERMAL TURB} NE Vo 1 ． 4 4 No ． 1 Ma r ． 2 0 1 5 文章编号1 6 7 2 5 5 4 9 2 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 3 百 万核电汔轮 机再热螺阀阀板号动力矩分析 胡志强 ， 王鹏 1 ． 上海电气电站设备有限公司汽轮机厂， 上海 2 0 0 2 4 0 ；2 ． 上海交通大学 机械与动力工程学院， 上海 2 0 0 2 4 0 摘要以某百万核电机组再热进汽管道和其中的再热截止蝶阀和再热调节蝶阀为研究对象， 分析 了在不同 开度下调节阀气动力矩的分布规律及数值。结果表明阀门开度在 O 。 到 3 5 。 之间时， 作用在阀轴中心的气动力 矩数值既大又变化剧烈， 此后随着阀门开度的增大气动力矩变化较为平稳， 6 O 。 以后逐渐接近为 0 Nm。基 于这些数据设计的阀门油动机通过了实际产品的开关试验， 结果表明油动机能满足阀门的控制需求， 气动力 矩的分析结果是 可靠的。 关键词 核 电汽轮机 ； 蝶 阀；阀板 ；气动 力矩 中图分类号 TK2 6 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 1 3 7 0 7 ／ j ． c n k i ． 3 1 1 9 2 2 ／ t h ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 2 Ae r o dy na m i c M o me nt Ana l y s i s o f But t e r f l y Va l v e Di s c f o r a 1 0 0 0 M W Nu c l e a r S t e a m Tu r b i ne H U Z h i q i a n g ，WANG Pe n g 1 ． Sh a n g h a i E l e c t r ic P o we r Ge n e r a t i o n E q u i p me n t Co． ，L t d ．T u r b i ne P l a n t ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，Ch in a； 2 S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r in g，Shan g ha i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，Ch in a Abs t r a c t B a s e d o n t h e wh o l e mo d e 1 o f a r e h e a t i n l e t p i p e ，i n c l u d i n g t h e r e h e a t s t o p v a l v e a n d c o n t r o l v a l v e t he r e i n o f a 1 0 0 0 M w n u c l e a r s t e a m t u r b i n e 。t h e c o n t r o l v a l v e S d i s t r i b u t i o n r u l e s a n d v a l u e s o f t h e a e r o d y n a mi c mo me n t s wi t h d i f f e r e n t o p e n a n g l e s i n d u c e d b y t h e p r e s s u r e o n t h e v a l v e d i s c a r e a n a l y z e d ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a e r o d y n a mi c mo me n t s a r e l a r g e a n d c h a n g i n g wh e n t h e v a l v e ’ S o p e n a n g l e s a r e b e t we e n 0 。a n d 3 5 。 ．W i t h t h e a n g l e g r o wi n g b i g g e r ，mo me n t s b e c o me mo r e s t e a d y a n d g r a d u a l l y r e d u c e t o 0 a s t h e a n g l e f r o m 6 O 。 t O 9 0 。 ． Th e t e s t o n t h e v a l v e a c t u a t o r b y a p p l y i n g t h o s e d a t a d e mo n s t r a t e s t h a t t h e a c t u a t o r me e t s t h e c o n t r o l d e ma n d o f v a l v e ，t h e r e f o r e t h e a n a l y t i c r e s u l t s o f a e r o d y n a mi c mo me n t s a r e r e l i a b l e ． Ke y wo r d s n u c l e a r s t e a m t u r b i n e ；b u t t e r f l y v a l v e ；v a l v e d i s c ；a e r o d y n a mi c mo me n t 在 目前百 万等级的大容量核 电汽轮机 中， 由 于再热蒸汽管道尺寸巨大， 传统的提升式再热阀 门已逐渐被蝶 阀代替。蝶阀结构紧凑 、 重量轻 ， 直 接被安装在管道 上， 运行 时其 阀板不同 区域所受 流体压力差异形成 了对 阀轴 的气动力 矩 ， 该气动 力矩 的数值及规律对蝶 阀本身结构及 其传动 、 控 制机构的设计影响重大 。本文采用数值研究 的方 法 ， 对蝶阀开关过程 中阀轴所受 的气动力矩进行 研究 ， 结果表明在阀门从开到关 的过程中， 作用在 阀轴上的气 动力矩逐渐 降低 至接近为 0 ， 规律为 小开度时气动力矩数值下降较快， 3 5 。 以后变化趋 于平缓 。这些数据及规律为设计执行机构及支撑 结构提供了设计参考和数据支持 ， 有 助于更好地 实现对蝶阀的精确控制， 具有重要的实际意义。 1 结构及背 景简 介 蝶 阀阀板形状 的选择对 流阻及气 动力 矩、 摩 擦力矩 等都 有影 响。上海 汽轮 机厂 以往 的 3 0 0 MW 核电蝶阀阀板形状 为球面式 ， 如图 1所示 。 这种阀板截面惯性矩大 ， 因而刚度较大 ， 但是阀板 自重大 ， 不仅浪费材料， 还可能导致 阀轴较粗及摩 擦力矩增大等问题 。因此在设计 1 0 0 0 MW 核电 再热阀时重点研发 了另一种形状 的阀板 ， 见 图 2 。 通过计算 ， 这种形状 的阀板也能满足强度 和刚度 方面的设计要求 ， 但是更为轻便和省材 ， 并且执行 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 5 修订 日期 2 o 1 5 0 1 1 5 作者简介 胡志强 1 9 8 3 一 ， 女 ， 2 0 0 5年毕业于哈尔滨工程大学 ， 工程师 ， 主要从事 3 0 0 Mw 及 以上等级汽轮机本体结构的设计研究工作 。 圆I- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 i 期 百万核电汽轮机再热蝶阀阀板气动力矩分析 3 结果分析 个规律的。 为明确采用锥形 阀板 阀门的气动性能 ， 本文 完成 了调节蝶 阀在 0 。 、 1 5 。 、 3 0 。 、 3 5 。 、 4 0 。 、 4 5 。 、 5 O 。 、 从理论上来说， 由于偏心的存在， A、 B区域 5 5 。 、 6 0 。 、 7 5 。 、 9 0 。 共 I 1 个开度下的稳态分析， 以及 面积比 C、 D区域面积要小 ， 因此在来流完全均匀 调节阀在一定的时间内开启和关闭的瞬态分析 。 的情况下， 阀板所受气动力矩为图 3中垂直纸面 每一个开度的稳态分析都对比分析了在正常工作 向外的方向， 也即让阀板逆 向旋转而关闭的方向， 流量和最大工作流量下的两种情况 。此外 ， 为 了 并且在 阀门全关 开度 为 O 。 时， 由于受力 面积相 解该阀板相对于传统球面形阀板在气动力矩方面 差最大， 从而气动力矩也最大 。随着 阀门开度 的 的差异 ， 本文对 比分析 了同样边界条件下采用球 增加 ， A、 C区域 的面积差值在承受汽流压力 的方 面形 阀板 的方案。本文仅分析了该方案在最大工 向上的投影越来越小 ， 气动力矩也逐渐减小 ， 在阀 作流量工况下 的 3 0 。 、 5 O 。 、 9 0 。 三个开度 。 门全开 开度为 9 0 。 时的气动力矩降为 0 N m。 本文通过将阀板各节点上所受的蒸汽力对阀 也就是说阀门从 0 。 到 9 0 。 是气动力矩从最大值逐 轴中心进行积分 而得到气动力矩 ， 图 4中汇总整 渐减小为 0 N m 的过程。实 际上 ， 由于受上游 理了各工况下蝶 阀的气动力矩相对 值及变化 曲 弯头及截止 阀的影响， 调节阀阀板所受 的来流并 线 ， 其纵坐标“ 1 ” 为 采用工作流量对锥形 阀板 的 不均匀， 加上阀板制造误差、 不完全对称的设计 蝶阀进行稳态分析， 阀门全关时其阀轴上所受的 等， 其气动力矩可能会有所波动， 但总体是符合这 气动力矩。从图 4 中可以看出 工作流量稳态瞬太关瞬太开． _ ． ． 一 ． 最 大流量稳态球面形阀 吾 安 求 蒋 衄I 开度I o 1 图 4 阀板气动 力矩 曲线 1 基本上每条 曲线都 符合上述规律 ， 即从 阀 气动力矩时发现， 当调节 阀开度为 6 0 。 时 ， 始终处 门全关到全开， 力矩逐 渐降低 到接近 0 。仅瞬态 于全开 9 O 。 位置 的截止 阀阀板力矩 突然从 0跃 开启工况在 1 O 。 时力矩有突然的上升， 但是上升后 升到接近调节阀力矩的一半 。这一现象值得继续 仍然没有超过全关时的值。这对于阀门的执行机 研究。 构选型及设计来说 ， 是极为有利的。 2 对于采用工作流量分析的三条 曲线稳 态、 瞬态关、 瞬态开， 基本上是瞬态开时气动力矩 最大， 瞬态关时最小 ， 这样有助于实现阀门的快关 功能。 3 从采用最 大流量计算 的两条曲线来看 ， 球 面形 阀板的气动力矩明显高 于锥形 阀板 ， 这也验 证了改进阀板形状的必要性和正确性 。 4 在开度为 6 O 。 时 ， 锥形 阀板的气动力矩有一 个小 的波动 ， 经检查分析发现， 这应该是受上游流 场及截止阀影响的缘故 。因为在分析截止阀阀板 囡mm m l 5 从工作流量稳态分析结果看 ， 当阀门开度 较小时， 作用在阀轴中心的气动力矩数值既大又 变化剧烈 ， 当开 度在 3 5 。 到 6 O 。 之 间时则 比较平 稳 。这种现象在某种程度上解释了现有的一些 同 类型蝶 阀在关闭到一定角度 如 3 0 。 时发生卡 涩 甚至无法关 闭的问题 ， 在设计 油动机力及弹簧力 等控制结构时需予 以注意 ， 这也 正是本文研究 的 出发点及意义所在 。 目前 ， 该阀门已完成了设计 、 制造和检验 ， 并 通过 了快开快关动作试验和阀位动作试验验证 。 下转第 5 7页 8 6 4 2 l 8 6 4 2 O l l l l O 0 O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽轮机槽型密封圈的理论计算方法 热力透平 上 ， 满足密封要求。 5 结 论 本文提 出了一种基于悬臂梁模型的槽型密封 圈的理论计算方法 。主要结论如下 1 槽型密封圈的密封应力分为两方面 结构 压缩量和热胀压缩量产生的密封应力 ， 以及 由蒸 汽压差引起 的密封应力 。结构压缩量能够形成初 始密封面 ， 压差产生 的密封应力不会 随长期蠕变 而变小 。 2 基于悬臂梁模型进行推导 ， 成功地得 到了 槽型密封圈的刚度及密封应力 的理论公式 。公式 表明， 槽型密封圈的密封应力与直径无关 ， 而与悬 臂结构 、 压缩量 和压差有关 。并 由此计算 了由压 上接第 5 2 页 这些试验验证成功表 明， 基于本文计算 的气动力 矩而设计 的执行机构能够满 足控制要求 ， 这也从 实际成果方面验证了本文分析 的准确性。 4 结 论 本文研究了某百万核 电机组再热蝶 阀阀板上 所受到的气动力矩及其变化规律 ， 结果表 明阀门 开度在 O 。 到 3 5 。 之间时 ， 作用在 阀轴 中心 的气动 力矩数值既大又变化剧烈 ， 此后 随着 阀门开度 的 增大气动力矩 较 为平 稳 ， 6 O 。 以后 逐渐 接 近为 0 N 1 T I 。这些数据及规律的获得 为设计执行机构 及支撑结构提供了设计参考和数据支持， 有助于 更好地实现对蝶阀的精确控制， 具有重要的实际 意义 。 此外 ， 基于本文分析所得的阀轴气动力矩数 据而设计的阀门油动机通过了实际产品的开关试 验 ， 结果表明油动机能满足阀门的控制需求 ， 即气 动力矩的分析结果是可靠的。因此本文所采用 的 分析方法也可以在 以后设计蝶 阀时予 以采用 ， 为 蝶阀的进一步精细化设计起到推进作用 。 缩量和压差分别产生的密封反力和应力。结果表 明， 密封应力远大于压差 ， 满足密封需求 。 3 理论公式 的计算结果与有限元结果误差很 小 ， 验证 了基于悬臂梁模 型的槽 型密封理论计算 方法的可行性和可靠性， 在保持高精度的同时， 满 足 了工程公式简洁 、 清 晰的要求 。该方法能够揭 示槽型结构各参 数的作用 和槽 型密封 的机理 ， 为 新机组 中更高参数的槽型密封圈的设计提供 了重 要依据 。 参考 文献 r 1 ]J AVI E R B， RI C HA RD W．N o n l i n e a r C o n t i n u u m Me c h a n i c s f o r F i n i t e E l e me n t An a l y s i s[ M ] ． 2 n d e d ． C a mb r i d g e Ca mb r i a g e Un i v e r s i t y Pr e s s ，2 0 0 8 ． [ 2 3 MA R T I N S ． E l a s t i c i t y T h e o r y ， A p p l i c a t i o n s ， a n d Nu me r i c s r M] ．3 r d e d ．L o n d o n Ac a d e mi c P r e s s I n c ， 2 0 1 4 ． 参考文献 r 1 ] E 0M K． P e r f o r ma n c e o f B u t t e r f l y Va l v e s a s a F l o w C o n t r o l l e r[ J ] ．AS ME J ．F l u i d E n g ． ，1 9 8 8 ，1 1 0 1 1 6 1 9 ． [ 2 ]M0R RI s M J ，DUT T0N J C C o mp r e s s i b l e F l o w F i e l d C h a r a c t e r i s t i c s o f B u t t e r f l y Va l v e s[ J ] ．AS ME J ．F l u i d En g ．。1 9 8 9，1 1 1 4 4 0 0 4 0 7 ． [ 3] MOR RI S M J ，DUTTON J C ． Ae r o d y n a mi c To r q u e Ch a r a c t e r i s t i c s o f Bu t t e r f l y Va l v e s i n Co mp r e s s i b l e Fl o w _ J ] ．AS ME J ．F l u i d s En g ． ，1 9 8 9 ，1 1 1 4 3 9 2 3 9 9 ． [ 4] MORR I S M J ， DUTTON J C ． An Ex p e r i me n t a l I n v e s t i g a t i o n o f Bu t t e r f l y Va l v e Pe r f o r ma n c e Do wn s t r e a m o f a n E l b o w [ J ] ．A S ME J ．F l u i d E n g ． ， 1 9 9 1 ， 1 1 3 1 8 1 8 5 ． [ 5 ]Hu A N G C ，K I M R H ．T h r e e - D i me n s i o n a l A n a l y s i s o f P a r t i a l l y O p e n B u t t e r f l y V a 1 v e F l o w s [ J ] ． A S ME J ． F l u i d s En g ．，1 9 9 6，1 1 8 3 5 6 2 5 6 8． [ 6 ]J I N X i a o h o n g ，S HE N Ya n g ，MI A0 Qi n f e n ．S i mu l a t i o n o f Fl o w Fi e l d a n d Ca l c u l a t i o n o f M o me n t o n Va l v e Pl a t e f o r B u t t e r f l y V a l v e[ J ] ．A p p l i e d Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ， 2 0 1 3， 3 1 21 8 6 1 9 0 ． C 7 ] 刘健， 李福堂． 大口径蝶阀三维流动的数值模拟及分析[ J ] ． 流 体机械 ，2 0 0 8 ， 3 6 9 3 0 - 3 2 ． [ 8 ]L E UTwYL E R Z，DAL T 0N C A C o mp u t a t i o n a l S t u d y o f To r q u e a nd Fo r c e s Du e t O Co mp r e s s i bl e Fl o w O n a B ut t e r f l y Va l v e D i s k i n Mi d - s t r o k e P o s i t i o n[ J ] ．As ME J ．F l u id s En g ．，2 0 0 6，1 2 8 5 1 0 7 4 1 08 2 ． |I I I■豳 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m