[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

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：

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，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。

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；