一种汽轮机主调门阀杆防卡涩优化设计方法与流程

1.本发明属于机械工程技术领域，涉及一种汽轮机主调门阀杆防卡涩优化设计方法。


背景技术：

2.汽轮机是以蒸汽为工质的将热能转变为机械能的旋转式原动机。汽轮机不仅是现代火电厂和核电站普遍使用的发动机，而且还广泛应用于冶金、化工、船运等部门用来直接驱动各种从动机械，如各种泵、风机、压缩机和传动螺旋桨等。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。全世界发电总量的80％左右是由汽轮发电机组发出的，所以汽轮机是现代化国家中重要的动力机械设备。
3.蒸汽在进入汽轮机之前，必须先通过主调门，用于保护汽轮机的运行安全，并利用调节阀对蒸汽流量的调节作用使汽轮机功率在宽工况范围内连续可调。
4.阀杆漏汽是汽轮机主调门蒸汽外漏的主要根源，约占汽轮机漏汽的10-30％，对汽轮机热耗率有重要影响。然而，为了保证机组运行的安全性，汽轮机主调门对阀杆动作速度的要求非常高，无法采用盘根绳、密封圈等常规阀门密封结构，通常依靠阀杆与阀杆套之间间隙节流来减少蒸汽泄漏量。众所周知，阀杆与阀杆套间隙越小，蒸汽泄漏量越少，因此现有的阀杆与阀杆套设计间隙都非常小，以减少蒸汽外漏。此外，减少阀杆与阀杆套间隙也可以减少在汽流激励性阀杆在阀杆套内的振动幅值，提高阀杆安全性。
5.由于汽轮机主调门工作在高温、高压的恶劣环境中，其各部件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。由于阀杆外径与阀杆套内孔为连续的小间隙，脱落的氧化皮一旦卡在阀杆与阀杆套之间就形成硬接触，并使接触面产生划痕甚至变形，导致阀杆卡涩，如图1所述，引起汽轮机超速，严重影响汽轮机的安全运行。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种汽轮机主调门阀杆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杆卡涩问题，保证机组安全运行。
7.为达到上述目的，本发明所述的汽轮机主调门阀杆防卡涩优化设计方法包括以下步骤：在阀杆套与阀杆之间设置有柔性密封体，利用三维热流固耦合仿真及有限元分析对工质泄漏率、结构应力及阀门动作可靠性进行综合优化。
8.阀杆套的内侧设置有定位环及中间抽汽口。
9.所述柔性密封体采用迷宫密封、蜂窝密封及刷式密封中的一种或者几种的组合。
10.所述定位环位于柔性密封体的两侧或中间抽汽口的两侧。
11.定位环的横截面为矩形、圆弧型或倒锥形，并利用三维热流固耦合仿真及有限元分析进行优化，在保证定位环强度和阀杆轴向运动可靠性的条件下最大限度的减少定位环
与阀杆的配合面积。
12.中间抽汽口的孔径及布置方式根据三维热流固耦合仿真结果确定。
13.设定工质泄漏率为阀杆外漏蒸汽量与额定工况下阀门蒸汽流量之比，通过三维热流固耦合仿真对密封结构以及密封间隙进行优化，使工质泄漏率处于预设范围内。
14.通过热流固耦合仿真及有限元分析对定位环及柔性密封体中薄弱环节的强度进行校核，并根据仿真结果对薄弱环节的几何参数进行优化设计。
15.通过热流固耦合仿真对阀杆汽流激振特性及运动阻力进行仿真校核，并根据仿真结果对定位环及柔性密封体的布置方式及间隙进行优化设计。
16.本发明具有以下有益效果：
17.本发明所述的汽轮机主调门阀杆防卡涩优化设计方法在具体操作时，在阀杆套与阀杆之间设置有柔性密封体，消除固体颗粒与阀杆和阀杆套的硬接触，同时利用三维热流固耦合仿真及有限元分析对工质泄漏率、结构应力及阀门动作可靠性进行综合优化，有效解决氧化皮卡涩问题，保证机组安全运行。
附图说明
18.图1为现有阀杆与阀杆套结构示意图。
19.图2为本发明的阀杆与阀杆套结构示意图。
20.图3为密封齿对汽流的节流效果图。
21.图4为定位环的一种结构示意图；
22.图5为定位环的另一种结构示意图；
23.图6为定位环的另一种结构示意图；
24.图7为定位环的另一种结构示意图；
具体实施方式
25.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。
26.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。
27.本发明所述的汽轮机主调门阀杆防卡涩优化设计方法包括以下步骤：在阀杆套与阀杆之间设置有柔性密封体，利用三维热流固耦合仿真及有限元分析对工质泄漏率、结构应力及阀门动作可靠性进行综合优化。
28.阀杆套的内侧设置有柔性密封体、定位环及中间抽汽口。
29.所述柔性密封体采用迷宫密封、蜂窝密封及刷式密封中的一种或者几种的组合。
30.所述定位环位于柔性密封体的两侧或中间抽汽口的两侧，定位环的横截面为矩形、圆弧型或倒锥形，并利用三维热流固耦合仿真及有限元分析进行优化，在保证定位环强度和阀杆轴向运动可靠性的条件下最大限度的减少定位环与阀杆的配合面积。
31.所述中间抽汽口用于强化柔性密封的节流效果，减少阀杆的外漏蒸汽量，中间抽汽口的孔径及布置方式根据三维热流固耦合仿真结果确定。
32.设定工质泄漏率为阀杆外漏蒸汽量与额定工况下阀门蒸汽流量之比，所述工质泄漏率优化为：通过三维热流固耦合仿真对密封结构以及密封间隙进行优化，使工质泄漏率处于预设范围内。
33.所述结构应力优化为：通过热流固耦合仿真及有限元分析对定位环及柔性密封体中薄弱环节的强度进行校核，并根据仿真结果对薄弱环节的几何参数进行优化设计。
34.所述阀门动作可靠性优化为：通过热流固耦合仿真对阀杆汽流激振特性及运动阻力进行仿真校核，并根据仿真结果对定位环及柔性密封体的布置方式及间隙进行优化设计。
35.在阀杆套上通过定位环支撑阀杆，确保阀碟与阀座配合的准确性，实现对阀杆的精准定位，减少阀杆强迫振动。各密封结构对蒸汽进行多级节流，减少泄漏量。与此同时，当阀杆与阀杆套之间有异物时，由于密封齿之间有较大储存空间，减少异物卡在阀杆与阀杆套之间造成阀门卡涩。本发明既实现了阀蝶与阀座配合的准确性，也控制了蒸汽的泄漏量，同时解决氧化皮卡涩问题。
36.实施例一
37.参考图1，所述定位环的数目为多个，密封结构包括但不限于梳齿形结构。
38.需要说明的是，当阀杆与阀杆套之间有异物时，由于密封齿之间有较大储存空间，减少异物卡在阀杆与阀杆套之间造成阀门卡涩的风险，实现阀蝶与阀座配合的准确性，控制泄漏蒸汽的泄漏量，同时也解决氧化皮卡涩问题。
39.密封齿的作用是减小阀杆与阀杆套之间的环形间隙漏汽量，图3中密封齿依次排列，维持阀杆与阀杆套之间的径向间隙，形成许多环形孔口。相邻环形孔口之间形成一个环形汽室。当蒸汽漏过所述密封齿时，必须依次通过各环形汽室。其中，每一个环形孔口前后都存在压力差，在给定的总压力差(p
1-p2)下，环形孔口的数目越多，则每一个环形孔口两侧的压力差越小，因而漏过的蒸汽也越少。同时如图2及图3所示，氧化皮颗粒在没有密封齿的结构下(图3)相比有密封齿的结构(图2)更容易造成阀杆与阀杆套的卡涩。
40.针对典型汽轮机主调门，本发明所述的阀杆防卡涩优化设计方法包括以下步骤：
41.1)建立由阀杆以及包括柔性密封体、定位环和中间抽汽口的阀杆套三维几何模型，并对流场区域和结构体区域分别进行网格离散；
42.2)以阀门实际工作参数为条件，通过热流固耦合仿真与有限元分析，确定工质泄漏率、薄弱部位的应力、阀杆汽流激振特性及运动阻力；
43.3)根据阀杆密封结构几何参数与特征参数的关系，对密封齿结构、定位环结构以及几何尺寸进行优化，再通过热流固耦合仿真与有限元分析进行特征参数校核，最终确定工质泄漏率、结构应力及阀门动作可靠性均满足汽轮机主调门要求的防卡涩阀杆-阀杆套结构。
44.典型汽轮机主调门的仿真结果表明，密封间隙相同时，本发明得到的结构的泄流量相比光滑表面阀杆结构降低10％-15％，从而降低汽轮机的热耗率。关于密封结构对泄漏量的影响，结论是密封间隙相同时，密封齿数量越多，泄漏量越小；密封齿高度越高，泄流量越小；齿顶宽度增加，泄流量几乎不变；齿间距增大，泄漏量减小。其中密封齿数对泄流量的影响最为显著。
45.针对本发明所得防卡涩结构，利用数值模拟方法对密封齿进行强度校核，使用仿真软件ansys-mechanical进行仿真，仿真内容包括：在使用cfx计算密封泄漏量时，对密封间隙(流体域)与密封齿结构(固体域)进行流固耦合分析，目的是在得到密封泄漏量的同时，也同时得到密封结构(固体域)的温度场。然后将流固耦合计算得到的密封结构的温度场结果通过workbench导入mechanical模块进行热强度校核，确认密封齿的高温强度是否超过许用强度。
46.仿真结果表明：本发明所述的防卡涩结构，其每一密封齿高温强度均未超过其许用强度。
47.综合以上流体仿真与结构仿真分析可知，本发明可以有效降低阀杆泄漏量，同时密封齿的高温强度又能够保障该结构的长期稳定运行。
48.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。