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调节阀流场分析与结构优化研究

肖鑫  
【摘要】:调节阀在我国的能源产业以及工业领域使用广泛,因此对于调节阀的研究具有十分重要的意义。汽轮机调节阀是汽轮机调节系统的重要组成部分,其调节能力直接影响调节系统的安全性与稳定性。汽轮机调节阀内部流场复杂多变,呈现出明显的随机性与三维特性;一直以来采用实验方法作为研究手段,可以获得调节阀的一些总体性能参数,但由于受到成本与实验周期的限制,常采用经验公式或相似设计的方法对其进行设计开发,而对于一些复杂工况下的调节阀内部流场,很难获得准确的流体流动相关参数。本研究尝试通过数值模拟的方法对调节阀内部流场进行计算与分析。 根据调节阀内部流场的粘性流动、湍流流动以及旋转涡流流动,结合流体力学基本理论与方法,建立了调节阀的三维流场模型。选取典型的工况条件,在计算流体力学分析软件Fluent平台上进行调节阀流场的数学模拟。获得了反映调节阀内部流体流动的相关参数,如压力分布,速度分布,马赫数分布。 针对典型工况数值计算结果,确定了调节阀流量与开度之间的关系以及阀门流道结构形式与几何参数对调节阀压力损失的影响;分析结果表明,小开度相对其他开度情况下,其阀门内部结构形式是阀内产生蒸汽流动损失的主要原因。同时,对小开度下调节阀内特殊的流道结构引发的冲击射流,漩涡流,激波效应等不稳定现象进行了分析,确定了导致流动损失的原因。 最后,根据调节阀关键结构参数与流动损失之间的关系,选定了阀座扩压角,阀芯外形轮廓线以及偏心度等主要结构参数进行设计改进,确定了流动损失最小的调节阀结构。 本研究采用数值模拟方法对汽轮机调节阀的气动性能进行了系统的分析与计算,获得了调节阀内部流场的详细参数,同时对调节阀关键结构参数进行了设计改进。研究结果对于汽轮机调节阀的设计与开发具有一定的参考价值。


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