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润滑系统直动型溢流阀动态特性研究与设计

王建森  
【摘要】:汽轮机发电技术广泛用于燃煤发电、燃气发电、核能发电及太阳能生物质能发电,汽轮机是发电厂的核心装备。汽轮机润滑油系统向汽轮机轴系提供压力稳定流量充足的润滑油液以保证汽轮机轴系可靠支撑及冷却,关系到汽轮机的安全运营。目前,国内汽轮机行业迎来发展的加速期,汽轮机技术已由超临界机组向超超临界机组方向发展,功率可达1000MW级,轴系更趋庞大,润滑系统流量每分钟可达上万升,溢流阀溢流流量最大变化每分钟可至数千升,在如此大的润滑流量和溢流量变化下,要求溢流阀要有足够的定压精度和良好的动态性能。国内已有定型批量生产的溢流阀大多集中在低压小流量或高压大流量上,适用于汽轮机润滑系统工况压力级别为几巴、流量规格每分钟近万升的低压大流量溢流阀产品主要从国外进口,价格高昂,现有的产品规格小,其生产设计主要通过对国外产品进行测绘仿制,缺乏相关设计方法及理论的指导,严重制约了低压大流量溢流阀技术的发展和产品质量的提升,影响了汽轮机润滑油系统的可靠性。鉴于此,本文以适用于汽轮机润滑系统工况的低压大流量直动型溢流阀的研发为目标,采用理论分析、数值模拟和试验测试相结合的方法,将线性化分析、非线性时域分析和流固耦合动力学分析多种分析手段协同起来,围绕直动型溢流阀动静态特性从阀的主体结构形式、阀口形状、阻尼配置、关键结构参数确定、内部流场参数分布及阀芯动力学过程等方面展开了较系统的研究。论文主要成果有:(1)推导获得了直接作用与差动作用两种结构直动型溢流阀线性化模型的一般通用形式,分析了两种直动型溢流阀结构参数与性能参数间的关联性,找到了直动型溢流阀既满足稳定性又有较好的瞬态响应特性的流量增益条件式,可作为直动型溢流阀关键结构参数确定的依据;(2)提出了适用于润滑系统低压大流量工况的变增益、非对称阻尼、三级同心及阻尼进油口并联布置的直动型溢流阀新结构。(3)探索到了一种油空化流动下直动型溢流阀的流固耦合数值模拟方法,可同时获得瞬态下溢流阀内部流场参数分布及阀芯动力学响应特性,可捕捉到元件节流或阻尼结构的阻抗作用,提取得到元件流固耦合振动特征参数;(4)利用上述研究成果,研制了DN150,额定流量4000L/min,调压范围0~0.3MPa的低压大流量直动型溢流阀,经试验测试,定压精度平均每100L/min流量变化引起的压力变化约为0.0075bar;在约500L/min的负流量突变信号作用下,最大压力变化量不到0.1bar,能有效抑制系统压力突降,满足汽轮机润滑系统对油压波动的要求。论文的主要内容有:第一章,阐述了本课题研究的背景和意义;概述了直动型溢流阀的研究现状和发展概况,包括直动型溢流阀结构形式的现状、新发展和直动型溢流阀研究中各种分析方法的应用现状;概括了本文的主要研究内容。第二章,针对两种典型结构的直动型溢流阀,利用经典控制理论分别建立了它们的传递函数数学模型,分析、简化、比较后得到了直动型溢流阀线性化模型的一般形式,分析了影响直动型溢流阀静、动态特性的关键因素,找到了阀既满足稳定性又有较好的瞬态响应特性的流量增益条件式,确立了适于低压大流量工况的直动型溢流阀解耦结构方案及阀口几何形状。第三章,考虑了直动型溢流阀模型中的非线性因素,采用集中参数法建立了阀的非线性时域模型,利用时域数值模拟方法,对比研究了不同阻尼结构形式及结构参数对低压大流量直动型溢流阀动静态特性的影响规律;提出了非对称阻尼结构方案并建立了其数学模型,研究了非对称阻尼结构直动型溢流阀的瞬态响应特性。第四章,通过对FLUENT软件中壁面函数、空化流动模型及模型参数的分析、选择和调整,经与参考文献试验结果比对,找到了一种适于油空化流动下锥阀所受推力的计算方法,并将该计算方法和动网格技术、UDF编程技术应用于直接作用直动型溢流阀的流固耦合数值模拟中,初步探究找到了一种将阀的内部流场参数分布与阀芯动力学响应特性耦合关联分析方法。第五章,从稳态流场数值模拟角度对低压大流量直动型溢流阀的阀口流量特性、阀芯液动力特性进行了深入分析,为低压大流量直动型溢流阀非线性时域分析中阀口流量系数、阀芯液动力特性的近似或简化处理提供了依据,并为阀口下游阀腔几何结构的确定提出了指导意见;利用论文前文所获得的流固耦合动力学研究方法就不同阻尼器结构参数下溢流阀的内部流场参数分布变化过程与阀芯动力学响应特征进行了探究。第六章,介绍了低压大流量直动型溢流阀试验台的工作原理、试验条件、测试装置及试验方法,并对试制阀的静动态特性进行了试验测试。第七章,本论文研究工作和成果的总结,今后研究工作的展望。


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