结合CFD仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法与流程

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结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法
技术领域
1.本发明属于机械工程技术领域。涉及一种结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法。

背景技术：

2.在使用化石燃料的现代常规火电厂、核电站以及地热发电站中，汽轮机是用来驱动发电机产生电能的，故汽轮机与发电机的组合称为汽轮发电机组。汽轮机高调阀的主要作用是调节汽轮发电机组的功率以及在机组运行失常时快速切断汽源，保障汽轮机和发电机的运行安全。全世界约80％的电能是由汽轮发电机组产生的，因此，提高高调阀的可靠性对稳定电力供应具有重要意义。
3.对于高调阀来说，阀碟是活动部件，可在与阀壳固连的阀碟套内自由运动；阀碟与阀碟套配合面的间隙很小，其主要目的是在保证阀碟自由运动的条件下对阀碟运动有良好的约束和导向作用，减少阀门开启时在高速汽流扰动下的振动，并使阀门关闭时阀碟与阀座密封面准确配合，确保阀门的关闭严密性。需要说明的是，由于大型汽轮机的高调阀都有预启阀，通过预启阀可减少阀门开启提升力，而且预启阀在高调阀开启后一直处于开启状态，因此阀碟与阀碟套间的蒸汽泄漏量不影响汽轮机的经济性，但对阀门提升力的大小和阀碟动作的可靠性具有重要影响。通常来说，在预启阀喉部直径和升程不变的条件下，增大阀碟与阀碟套间隙将导致预启阀前后压差增大、预启阀卸载度减小、阀门提升力增加；另外，阀碟与阀碟套间隙增大后对阀碟运动的导向性减弱，但所引起的预启阀前后压差增大又将提高阀碟的稳定性，因此对阀碟动作可靠性的影响是非常复杂的，一直是行业中的难题，长期以来都缺少具体设计和优化的方法。
4.由于高调阀的阀碟与阀碟套的工作环境极其恶劣，其表面容易生成氧化膜，在汽流力、机械摩擦、振动以及热应力等作用下脱落后产生氧化皮颗粒；另外，上游蒸汽管道内的氧化皮也会被蒸汽挟带进入阀碟与阀碟套配合面间隙。常规设计的阀碟与阀碟套配合面间隙都很小，氧化皮颗粒极易导致阀碟卡涩，如图2所述，引起汽轮机超速，严重影响汽轮机的安全运行。随着机组深调加剧，超(超)临界机组高调阀发生卡涩事故愈发频繁。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法，该方法能够解决氧化皮颗粒导致的阀碟卡涩问题，保证机组的安全运行。
6.为达到上述目的，本发明所述的结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法包括以下步骤：
7.1)建立包括阀腔、阀碟、阀碟套、预启阀以及定位条的汽轮机高调阀的三维几何模型，对所述三维几何模型的流场区域及结构体区域进行网格离散；
8.2)以阀门的实际工作参数为边界条件，通过热流固耦合cfd仿真分析；
9.3)通过cfd模拟计算，确定提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直径的关系；
10.4)通过cfd气固两相流动仿真分析，确定氧化皮卡涩的几率和关键间隙及定位条的具体结构关系，判断当前定位条是否合理，当当前定位条不合理时，则转至步骤2)，当当前定位条合理时，则完成结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计。
11.步骤1)的具体操作为：
12.11)根据阀门模型的结构形式，构建包括阀腔、阀碟、阀碟套、预启阀以及定位条的汽轮机高调阀的三维几何模型，所述三维几何模型包括流场区域及结构区域；
13.12)将所述流场区域在icem中进行网格离散，将阀内网格划分为阀腔、阀座、环缝及卸载室，其中，对阀腔、阀座及环缝采用结构化网格，对卸载室采取非结构化网格，对流场区域的边界层网格进行加密处理；
14.13)在流体区域中加入定位条，对定位条的边界层网格进行加密处理；
15.14)对结构区域在icem中进行网格离散，将结构区域划分为预启部分及阀套部分，其中，预启部分及阀套部分均采用结构化网格。
16.步骤2)的具体操作为：
17.21)流体区域进口边界及出口边界分别设置在阀门进口和阀门出口处的5倍管径处，进口处设置进口总压条件，在出口处将出口静压设置为出口边界条件，壁面采用绝热无滑移边界条件；
18.22)设定流体域的计算初场，计算阀门前后压比，当阀门前后压比大于壅塞压比，则选择进口速度作为初始速度场，当阀门前后压比小于壅塞压比，则选择大压比工况作为初始速度场；
19.23)选择realizable k-ε模型作为流体域计算的湍流模型；
20.24)在结构侧，根据预启部分及阀碟部分温度分布，分别给定不同的热边界条件。
21.步骤3)的具体操作为：
22.31)通过提取卸载室、阀碟及阀杆表面的垂直向下的作用力，计算阀门向下的加载力。
23.32)通过导出阀碟处的位移，得到阀碟振动的最大振幅，导出热态情况下关键间隙处的尺寸；
24.33)导出不同结构下的提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直径，建立提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直径之间的关系。
25.步骤4)的具体操作为：
26.41)在阀门进口处添加氧化皮颗粒，进行cfd气固两相流动的仿真分析，计算不同关键间隙和定位条布置方式下卡涩在关键间隙处氧化皮几率；
27.42)当步骤41)计算得到的几率小于等于预设值，则说明当前定位条设置合理，否则，则转至步骤2)。
28.定位条的截面形状采用矩形、半圆弧形、倒圆角梯形、矩形及半圆弧形中的几种拼接而成。
29.本发明具有以下有益效果：
30.本发明所述的结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法在具体
操作时，通过cfd仿真计算，确定提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直径的关系，通过cfd气固两相流动仿真分析，确定氧化皮卡涩的几率和关键间隙及定位条的具体结构关系，判断当前定位条的合理性，实现对阀碟与阀碟套配合结构、各间隙尺寸及预启阀喉部直径进行综合优化，在不超过阀门允许提升力及保证阀碟运动可靠性的条件下尽可能增大阀碟与阀碟套间隙，有效减少氧化皮引起的阀碟卡涩问题，提高汽轮机的运行安全性。
附图说明
31.图1本发明的流程示意图；
32.图2为阀门结构和氧化皮卡涩位置示意图；
33.图3为流体域阀门网格划分示意图
34.图4为本发明的阀碟与阀碟套配合截面的结构示意图；
35.图5为定位条的一种截面形状示意图；
36.图6为定位条的另一种截面形状示意图；
37.图7为定位条的另一种截面形状示意图；
38.图8为定位条的另一种截面形状示意图；
39.图9为定位条沿阀碟运动方向形状的示意图。
具体实施方式
40.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
41.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
42.本发明所述的结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法包括以下步骤：
43.1)建立包括阀腔、阀碟、阀碟套、预启阀以及定位条的汽轮机高调阀的三维几何模型，对所述三维几何模型的流场区域及结构体区域分别进行网格离散；
44.步骤1)的具体操作为：
45.11)根据阀门模型的结构形式，建立包括阀腔、阀碟、阀碟套、预启阀以及定位条的汽轮机高调阀的三维几何模型，所述三维几何模型包括流场区域及结构区域；
46.12)将所述流场区域在icem中进行网格离散，将阀内网格划分为阀腔、阀座、环缝及卸载室，其中，对阀腔、阀座及环缝采用结构化网格，对卸载室采取非结构化网格，对流场
区域的边界层网格进行加密优化设置；
47.13)在流体区域中加入定位条，对定位条的边界层网格进行加密处理；
48.14)将结构区域在icem中进行网格离散，将结构区域划分为预启部分及阀套部分，其中，预启部分及阀套部分均采用结构化网格。
49.2)以阀门的实际工作参数为边界条件，进行热流固耦合cfd仿真分析；
50.步骤2)的具体操作为：
51.21)流体区域进口边界及出口边界分别设置在阀门进口和阀门出口处的5倍管径处，进口处设置进口总压条件，在出口处以出口静压设置为出口边界条件，壁面采用绝热无滑移边界条件；
52.22)设定流体域的计算初场，计算阀门前后压比，当阀门前后压比大于壅塞压比，则选接近的进口速度作为初始速度场，当阀门前后压比小于壅塞压比，则选择临近的大压比工况作为初始速度场；
53.23)选择realizable k-ε模型作为流体域计算的湍流模型，fluent使用couple方法时的courant number应小于5，优选的，courant number为3，且动量和压力方程的松弛因子不超过0.5，优选的，松弛因子为0.2，其余量松弛因子不变。当计算进行100～200步时出现收敛趋势时，则在保证收敛的前提下，将时间步增大，以加快计算收敛速度；
54.24)在结构侧，根据预启部分及阀碟部分温度分布，分别给定不同的热边界条件，其中，预启部分和阀碟部分的外表面温度取600℃，阀壳外部表面温度取200℃。
55.3)通过cfd模拟计算，确定提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直径的关系；
56.步骤3)的具体操作为：
57.31)通过提取卸载室、阀碟及阀杆表面的垂直向下的作用力，计算阀门向下的加载力。
58.32)通过导出阀碟处的位移，得到阀碟振动的最大振幅，导出热态情况下关键间隙处的尺寸；
59.33)导出不同结构下的提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直径，建立提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直径之间的关系。
60.4)通过cfd气固两相流动仿真分析，确定氧化皮卡涩的几率和关键间隙及定位条的具体结构关系，判断当前定位条是否合理，判定当前结构是否合理。
61.步骤4)的具体操作为：
62.41)在拟定的含有定位条结构中，在阀门进口处添加氧化皮颗粒，进行cfd气固两相流动的仿真分析，计算不同关键间隙和定位条布置方式下卡涩在关键间隙处氧化皮几率；
63.42)当步骤41)计算得到的几率小于等于预设值，则说明当前定位条设置合理，否则，则转至步骤2)。
64.所述防固体颗粒卡涩结构具体为：在阀碟与阀碟套配合面的阀碟外壁上或阀碟套内壁上设置若干定位条，其间隙小于现有阀碟与阀碟套间隙(简称小间隙区)，而非定位条位置的阀碟与阀碟套间隙(简称大间隙区)远大于定位条位置的阀碟与阀碟套间隙。其中，所述小间隙区的间隙约为当前阀碟与阀碟套间隙的50％-90％；所述大间隙区的间隙约为
当前阀碟与阀碟套间隙的150％以上，大于常见氧化皮厚度。
65.所述定位条长度方向对应阀碟运动方向，并且定位条可间断或不充满阀碟全行程，定位条的数目不少于3个，在周向均匀分布。
66.所述定位条的截面形状采用矩形、半圆弧形、倒圆角梯形、矩形及半圆弧形中的几种拼接而成。
67.所述综合优化为：利用三维热流固耦合仿真分析，对定位条结构、非定位条位置的阀碟与阀碟套间隙大小、定位条位置的阀碟与阀碟套间隙大小以及预启阀喉部直径进行优化，在不超过阀门允许提升力的条件下尽可能增大非定位条位置的阀碟与阀碟套间隙小，减少固体颗粒物在非定位条位置的滞留。
68.本发明的创新之处在于：以减少阀碟卡涩为目标的阀碟-阀碟套结构、间隙大小以及预启阀喉部直径的综合优化设计方法；任何未脱离上述思路和方法的等效实施或者变更，均属于本发明专利的权利要求范围。
69.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：

1.一种结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立包括阀腔、阀碟、阀碟套、预启阀以及定位条的汽轮机高调阀的三维几何模型，对所述三维几何模型的流场区域及结构体区域进行网格离散；2)以阀门的实际工作参数为边界条件，进行热流固耦合cfd仿真分析；3)通过cfd模拟计算，确定提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直径的关系；4)通过cfd气固两相流动仿真分析，确定氧化皮卡涩的几率和关键间隙及定位条的具体结构关系，判断当前定位条是否合理，当当前定位条不合理时，则转至步骤2)，当当前定位条合理时，则完成结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计。2.根据权利要求1所述的结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：11)根据阀门模型的结构形式，构建包括阀腔、阀碟、阀碟套、预启阀以及定位条的汽轮机高调阀的三维几何模型，所述三维几何模型包括流场区域及结构区域；12)将所述流场区域在icem中进行网格离散，将阀内网格划分为阀腔、阀座、环缝及卸载室，其中，对阀腔、阀座及环缝采用结构化网格，对卸载室采取非结构化网格，对流场区域的边界层网格进行加密处理；13)在流体区域中加入定位条，对定位条的边界层网格进行加密处理；14)将结构区域在icem中进行网格离散，将结构区域划分为预启部分及阀套部分。3.根据权利要求2所述的结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法，其特征在于，步骤14)中预启部分及阀套部分均采用结构化网格。4.根据权利要求1所述的结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：21)流体区域进口边界及出口边界分别设置在阀门进口和阀门出口处的5倍管径处，进口处设置进口总压条件，在出口处将出口静压设置为出口边界条件，壁面采用绝热无滑移边界条件；22)设定流体域的计算初场，计算阀门前后压比，当阀门前后压比大于壅塞压比，则选择进口速度作为初始速度场，当阀门前后压比小于壅塞压比时，则选择大压比工况作为初始速度场；23)确定流体域计算的湍流模型；24)在结构侧，根据预启部分及阀碟部分温度分布，分别给定不同的热边界条件。5.根据权利要求4所述的结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法，其特征在于，步骤23)中选择realizable k-ε模型作为流体域计算的湍流模型。6.根据权利要求1所述的结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法，其特征在于，步骤3)的具体操作为：31)通过提取卸载室、阀碟及阀杆表面的垂直向下的作用力，计算阀门向下的加载力；32)通过导出阀碟处的位移，得到阀碟振动的最大振幅，导出热态情况下关键间隙处的尺寸；33)导出不同结构下的提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直
径，建立提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直径之间的关系。7.根据权利要求1所述的结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法，其特征在于，步骤4)的具体操作为：41)在阀门进口处添加氧化皮颗粒，进行cfd气固两相流动的仿真分析，计算不同关键间隙和定位条布置方式下卡涩在关键间隙处氧化皮几率；42)当步骤41)计算得到的几率小于等于预设值，则说明当前定位条设置合理，否则，则转至步骤2)。8.根据权利要求1所述的结合cfd仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法，其特征在于，定位条的截面形状采用矩形、半圆弧形、倒圆角梯形、矩形及半圆弧形中的几种拼接而成。

技术总结

本发明公开了一种结合CFD仿真计算的汽轮机高调阀阀碟防卡涩优化设计方法，包括以下步骤：1)建立包括阀腔、阀碟、阀碟套、预启阀以及定位条的汽轮机高调阀的三维几何模型，对所述三维几何模型的流场区域及结构体区域进行网格离散；2)以阀门的实际工作参数为边界条件，通过热流固耦合CFD仿真分析；3)通过CFD模拟计算，确定提升力大小、阀碟振动、定位条位置、间隙大小及预启阀喉部直径的关系；4)通过CFD气固两相流动仿真分析，确定氧化皮卡涩的几率和关键间隙及定位条的具体结构关系，判断当前定位条是否合理，该方法能够解决氧化皮颗粒导致的阀碟卡涩问题，保证机组的安全运行。保证机组的安全运行。保证机组的安全运行。