CN102797519B - 高稳定性复杂型线进汽阀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高稳定性复杂型线进汽阀，包括气缸，气缸的一侧设有阀腔，所述阀腔内部布置单个或多个阀碟和阀座组合结构，阀座内具有扩压管，阀碟的下端外表面上具有阀碟型线，阀座上位于扩压管内的内壁上具有阀座型线；阀碟型线采用非均匀有理B样条构造复杂型线，阀碟非均匀有理B样条控制点数即N满足如下关系：。本发明采用上述方案，能有效的提高汽阀的稳定性，特别是提高汽阀在小开度情况下的稳定性，避免汽阀内部不稳定流动的形成，从而防止汽阀由于不稳定而诱发的汽阀振动问题，使汽轮机更为安全可靠地运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种进汽阀，具体的说涉及高稳定性复杂型线进汽阀，属于能源动力领域。
背景技术
随着能源需求和技术水平的提高，现代电站汽轮机向着大功率、高参数方向发展，目前世界上已经制造超过1000MW的高参数机组，如瑞士ABB 公司的双轴1300MW 汽轮机组，俄罗斯ЛM3的单轴1200MW 汽轮机组，其参数为23.5MPa、540 ℃，美国阿尔斯通电厂汽轮机的蒸汽参数更高达34.3MPa，649/566/566℃；另一方面，拖动汽轮机也向着高转速、大功率发展，目前已有100MW的拖动汽轮机问世。功率和参数的提高要求汽轮机具有更好的耐高温抗腐蚀和抗疲劳性能并对汽轮机的安全性提出了更高的要求。
作为汽轮机的组成部分，进汽阀在汽轮机中起着十分重要的作用。汽轮机的启动、停机和功率的变化是通过进汽阀开度的变化，从而改变进入汽轮机的蒸汽流量或蒸汽参数来实现的，进汽阀的安全性、稳定性对整个汽轮机的安全运行有重要的影响。
由于汽轮机进汽阀要在不同的开度下工作，所以要求它在各种工况下都应具有良好的稳定性。透平进汽阀稳定性主要是指进汽阀阀体能在各种工况下稳定工作，而进汽阀汽流流动的不稳定，尤其在变工况汽阀流动的不稳定性是导致进汽阀阀体振动的主要原因。由于透平进汽阀结构复杂进汽阀阀箱内的流动边界也极其复杂，不合理的流动边界使流体的流动无法控制流动中产生的扰动，扰动不断增长并向外扩散造成了汽流流动的不稳定，进而诱发阀体的振动危及汽轮机的安全运行。为了减小透平进汽阀汽流流动不稳定对阀体的影响。本发明公开的复杂型线高稳定性汽阀，通过特殊复杂的阀蝶阀座型线，改善了汽阀内部流动结构，增强了汽阀的稳定性，从而对提高汽轮机运行的安全性具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的问题是针对汽轮机进汽阀变工况的稳定性问题，提供一种高稳定性复杂型线进汽阀，能有效的提高汽阀的稳定性，特别是提高汽阀在小开度情况下的稳定性，避免汽阀内部不稳定流动的形成，从而防止汽阀由于不稳定而诱发的汽阀振动问题，使汽轮机更为安全可靠地运行。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种高稳定性复杂型线进汽阀，包括气缸，气缸的一侧设有阀腔，所述阀腔内部布置单个或多个阀碟和阀座组合结构，阀座内具有扩压管，阀碟的下端外表面上具有阀碟型线，阀座上位于扩压管内的内壁上具有阀座型线；阀碟型线采用非均匀有理B样条构造复杂型线，阀碟非均匀有理B样条控制点数即N满足如下关系： 。
以下是本发明对上述方案的进一步改进：
阀座型线采用非均匀有理B样条构造复杂型线，阀座非均匀有理B样条控制点数即NZ满足如下关系：。
进一步改进：阀碟型线和阀座型线均采用CFD方法耦合现代优化方法进行全工况稳定性优化后得到复杂非均匀有理B样条型线。
进一步改进：阀座和阀碟组合结构对数即ND满足如下关系：。
进一步改进：所述扩压管内部沿周向均匀设置有若干个导流片。
进一步改进：扩压管内部导流片个数即NG和导流片高度即Ld以及导流片宽度即Wd和扩压管直径即D满足如下关系：、、。
汽轮机工作时，打开调节阀，蒸汽进入阀腔，通过阀碟与阀座之间的间隙流入汽轮机，随着阀杆的提升带动阀碟上升，蒸汽从阀腔内旋转流入扩压管，并在导流片的作用下变成均匀的气流。
本发明采用上述方案，能有效的提高汽阀的稳定性，特别是提高汽阀在小开度情况下的稳定性，避免汽阀内部不稳定流动的形成，从而防止汽阀由于不稳定而诱发的汽阀振动问题，使汽轮机更为安全可靠地运行。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1 为本发明实施例中进汽阀的总体结构示意图；
图2 为本发明实施例中阀碟的型线示意图；
图3为本发明实施例中阀座的型线示意图；
图4为本发明实施例中扩压管的内部导流叶片示意图；
图5为图4中扩压管A向剖视图；
图6 为本发明实施例中CFD方法耦合现代优化方法的稳定性优化过程表；
图7 为本发明实施例中无量纲振幅示意图。
图中：1-阀腔；2-阀杆；3-阀碟；4-阀座；5-扩压管；6-阀碟型线；7-阀座型线；8-导流片；9-气缸；N-阀碟非均匀有理B样条控制点数；NZ-阀座非均匀有理B样条控制点数；ND-阀腔内部阀碟、阀座对数；NG-扩压管内部导流片个数；Ld-导流片高度；Wd-导流片宽度；D-扩压管直径。
具体实施方式
实施例，如图1所示，高稳定性复杂型线进汽阀，包括气缸9，气缸9的一侧设有阀腔1，所述阀腔1内部布置单个或多个阀碟3和阀座4组合结构，阀座4和阀碟3组合结构对数ND满足如下关系：。
所述阀座4安装在气缸9壁上，阀座4内具有扩压管5，所述阀碟3上连接有阀杆2，阀碟3的下断外表面上具有阀碟型线6，阀座4上位于扩压管5内的内壁上具有阀座型线7；
如图2所示，阀碟型线6采用非均匀有理B样条构造复杂型线，阀碟非均匀有理B样条控制点数N满足如下关系：；
如图3所示，阀座型线7采用非均匀有理B样条构造复杂型线，阀座非均匀有理B样条控制点数NZ满足如下关系：；
k次非均匀有理B样条表示为分段有理多项式矢函数：
其中为权因子，分别与控制顶点相联系，是由节点矢量决定的k次规范B 样条函数。
如图4、图5所示，所述扩压管5内部沿周向均匀设置有若干个导流片8，扩压管内部导流片个数NG和导流片高度Ld以及导流片宽度Wd和扩压管直径D满足如下关系：、、。
汽轮机工作时，打开调节阀，蒸汽进入阀腔1，通过阀碟3与阀座4之间的间隙流入汽轮机，随着阀杆2的提升带动阀碟3上升，蒸汽从阀腔1内旋转流入扩压管5，并在导流片8的作用下变成均匀的气流。
如图6所示，所述阀碟型线6和阀座型线7均采用CFD（计算流体动力学）方法结合现代优化方法进行全工况稳定性优化后得到的复杂非均匀有理B样条型线；
CFD及现代优化方法均是建立在最优化数学理论和现代计算技术的基础上的，主要是通过建立阀碟模型，将工程实体转换为数学模型，确定阀后压力分布为目标函数以及阀碟型线离散坐标点为自变量。
因阀碟型线离散点采用的是B样条曲线拟合方式，故通过改变坐标点的位置而形成不同的阀碟型线，对坐标点的变化范围进行合理安排,以便生成合理的样本点，以便采用较少的试验资源来达到较理想的结果，即DOE（试验设计），对生成的样本进行基于CFD的自动优化分析，得出阀碟在不同开度下的流场数据，进而分析阀碟受力分析,选择最优的阀碟型线，如果分析结果不理想，则适当变化阀碟型线坐标点的变化范围。对于导流叶片的优化步骤也采同样的方法。
采用全三维CFD方法耦合现代先进的优化方法，对全工况下进汽阀的三维非定常流动进行数值分析和优化，可以有效的避免进汽阀内部不稳定流动的产生，从而达到提高进汽阀稳定性，降低进汽阀振动，使汽轮机更为安全平稳的运行。
图7给出了本发明的高稳定性进汽阀无量纲振幅随升程的变化，无量纲振幅为本发明的高稳定性进汽阀振幅与普通进汽阀在对应升程时振幅的比值。在低升程时，本发明的进汽阀振幅仅为普通进汽阀的60%左右，表明本发明的进汽阀效果很好。随着升程的增大，由于振动强度本身减弱，振幅降低幅度降低。
本发明特别适用于汽轮机进汽阀，并可广泛应用于所有以流体为工质的，各种轴流式、径流式和混流式叶轮机械。
Claims (3)
1.高稳定性复杂型线进汽阀，包括气缸（9），气缸（9）的一侧设有阀腔（1），所述阀腔（1）内部布置单个或多个阀碟（3）和阀座（4）组合结构，阀座（4）内具有扩压管（5），阀碟（3）的下端外表面上具有阀碟型线（6），阀座（4）上位于扩压管（5）内的内壁上具有阀座型线（7）；其特征在于：
阀碟型线（6）采用非均匀有理B样条构造复杂型线，阀碟非均匀有理B样条控制点数（N）满足如下关系： 10≤N≤50；
阀座型线（7）采用非均匀有理B样条构造复杂型线，阀座非均匀有理B样条控制点数（NZ）满足如下关系：10≤NZ≤50；
阀碟型线（6）和阀座型线（7）均采用CFD方法耦合现代优化方法进行全工况稳定性优化后得到复杂非均匀有理B样条型线；
阀座（4）和阀碟（3）组合结构对数（ND）满足如下关系： 1≤ND≤12。
2.根据权利要求1所述的高稳定性复杂型线进汽阀，其特征在于：所述扩压管（5）内部沿周向均匀设置有若干个导流片（8）。
3.根据权利要求2所述的高稳定性复杂型线进汽阀，其特征在于：扩压管内部导流片个数（NG）和导流片高度（Ld）以及导流片宽度（Wd）和扩压管直径（D）满足如下关系： 3≤NG≤8、0.1≤Ld/D≤0.35、0.05≤Wd/D≤0.2。
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