汽机旁路调节阀阀芯振动研究与分析

汽机旁路调节阀阀芯振动研究与分析

茹国强

大唐黑龙江发电有限公司哈尔滨第一热电厂  黑龙江省哈尔滨市  150078

摘要：通过分析汽机旁路调节阀阀芯的受力及运动，应用理论计算与数值模拟相结合方法，确定阀芯不会振动。此外，弹簧还能起到辅助开启作用，始终处于压缩状态，所以合理设计阀芯系统结构有利于提高其寿命。

关键词：汽机；旁路调节阀；阀芯振动

汽机旁路调节阀调节性能对核电机组汽机旁路系统安全稳定性有着重要影响，在大压差大直径蒸汽调节阀调节时，由于减压效果不理想，常会出现阀门振动问题。流动中的蒸汽受到扰动，导致压力脉动，造成阀芯受力不均，引起其振动。

一、旁路调节阀概述

旁路调节阀是一种能在管道系统中调节流量或压力的控制阀门，由阀体、阀门、传动机构等部件组成。其主要作用是调节压力，工作原理是通过阀门的调节，将管道中压力控制在一定范围内。同时，还能调节流量，以控制生产中的流量变化，保证生产稳定性。此外，还起到减压泄压等作用。

二、阀门结构与工作原理

汽机旁路调节阀设计压力9MPa，设计温度316℃，阀门规格DN300、Class900，额定行程100mm，其中小阀芯行程3mm，饱和蒸汽介质型。来自压力控制器回路信号被发送到执行机构，执行机构控制阀杆、阀芯相对套筒和阀座的位置，以增减流通面积，调节蒸汽压力及流量。当阀杆向上提升时，蒸汽流过阀芯和阀座两级可调降压，经阀座孔板降噪，然后逐渐扩容流向出口，最后通过出口端锥形节流孔板消音降噪流出。

三、调节阀阀芯结构类型

调节阀阀芯结构是指调节阀门中的关键部件，其结构直接影响着调节阀的性能。构成阀芯结构的元素包括：阀芯芯轴、阀芯杆、阀芯锥、阀芯垫片等。调节阀阀芯结构的设计优化，不仅关乎调节阀门的稳定性和精度，还与流体控制及设备维修保养等密切相关。①调节阀阀芯材质要优良且密封性好。阀芯压力平衡调节好，能在变化的流动及介质条件下，实现调节阀门在不同位置时的精确调节。②阀芯锥的锥形设计要符合介质流动的原理，这对液体、气体等流体的控制有着重要作用。并且为进一步提高调节阀系统的工作效率和稳定性，阀芯垫片的材质也需优化选用。

此外，阀芯是调节阀内最重要部件。为适应不同需要，得到不同阀门流量特性，阀芯的结构形状多种多样，但一般可将阀芯分为直行程与角行程两大类。

1、直行程阀芯。①平板型阀芯：这种阀芯的底面为平板形，结构简单、加工方便、具有快开特性，可作两位调节用。②柱塞型阀芯：分为上、下可倒装，倒装后能改变调节阀的正、反作用。常见阀门流量特性有线性和等百分比两种，这两种特性所用阀芯形状不同。上导向阀芯一般常用于角形阀及高压阀。对于小流量阀，可采用球形、针形阀芯；也可在圆柱上铣出小槽。③窗口型阀芯：这种阀芯用于三通调节阀，由于窗口形状不同，阀门流量特性有直线、等百分比和抛物线三种。④多级阀芯：把几个阀芯串接在一起，好象“糖葫芦"一样，起到逐级降压作用，用于高压差阀可防止气蚀、噪声。多级阀芯的结构较多，有的阀芯可串成锥体形状。⑤套筒阀阀芯：这种阀芯用于套筒型调节阀，只要改变套筒窗口形状，即可改变阀门的流量特性。

2、角行程阀芯。此种阀芯通过旋转运动来改变其与阀座间的流通面积。①偏心旋转阀芯：用于偏心旋转阀。②中线式蝶阀的蝶形阀板，有标准平阀板、翘曲的阀板，以及用于偏心蝶阀的带尾部的阀板三种。③球形阀芯：用于球阀，球体上钻有一个通孔，用于O形球阀；④V形阀芯的扇形球体上有V形开口或抛物线开口，两边支承在短轴上，用于V形球阀。V形开口的球体，也可改良为U形开口，以增大流通能力，其流量特性是改良的等百分比曲线。

四、阀芯受力

根据对阀门内部件结构的分析，将套筒固定约束在阀体内；压紧圈与阀芯固定连接，小阀芯和弹簧被约束在压紧圈及阀芯形成的中腔内；阀杆、小阀芯和执行机构连接牢固，在执行机构驱动下只发生轴向运动；在实际动作中，阀芯受介质压力波动、弹簧力、自重、摩擦力等作用，在套筒约束下，只会发生轴向振动运动；此外，在小阀芯约束下，阀芯系统只在轴向3mm内发生振动运动，所以按额定工况，进行受力分析。

若平衡孔在额定工况下处于连通状态，在压差作用下，套筒与阀芯间隙介质将通过平衡孔流入阀芯上腔，然后经阀芯及小阀芯密封副处流向阀芯下腔。阀芯系统上部压力大于下部压力，从而保持阀芯的稳定位置，所以阀芯在额定工作条件下不会振动。

1、湍流模型。Standardk-ε模型是一种双方程湍流模型，由于其经济性好、精度高的优点，在工程中得到广泛应用。由于汽机旁路控制阀中蒸汽的湍流，使用Standardk-ε湍流模型计算核电汽机旁路调节阀中蒸汽的流动特性。

2、边界与工况条件。按汽机旁路调节阀工况条件，流道进口设置设为压力进口，出口设为压力出口，壁面设为无滑移绝热壁面。根据介质为6.86MPa的饱和蒸汽，查找蒸汽参数。

3、流道模型和离散网格。使用SolidWorks对汽机旁路调节阀结构模型进行简化，并抽取阀芯系统流道，用于Fluent动网格模拟。假设阀芯位于约束中间，即小阀芯与阀芯间有2.5mm流道。四面体网格用于离散阀芯系统的流道流域，根据经检验数值模拟方法，当网格数约为160万时，满足数值模拟计算。

4、弹簧、阀芯参数计算。按机械设计手册中弹簧刚度计算公式计算弹簧刚度：

由此得出弹簧刚度K为233N/mm(圆整)，并且弹簧始终处于受压状态，伸缩范围为3mm，弹簧力范围计算为7773～8457N。阀芯材料为316不锈钢，根据资料，其密度约7950kg/m3，经计算阀芯质量为83kg，承受813N的重力。

5、数值计算模型。运动中阀芯主要受流体施加在其表面压力、弹簧力、自重、摩擦力等作用，所以阀芯受力可由以下公式表示：

因弹簧预紧力与阀芯重量共同确定阀芯初始开启压差，并且在阀芯运动中两者保持不变，所以两者被写成开启压差和面积乘积形式。若无阻尼=0，则可写成：

式中：m为阀芯质量，kg；ｙ阀芯在开启正方向上的位移，m；ｔ是阀芯运动时间，s；Pi、Pe是阀芯上下表面压力，Pa；K为弹簧刚度系数，N/mm；是弹簧预紧力，N；是运动中阻尼系数；ΔP是常数表示开启压差，Pa；A为阀芯底面积，m2。

五、阀芯运动

对额定工况下阀芯运动进行数值模拟，因压差引起的气动力是影响阀芯开启重要因素之一，所以分析稳态下阀芯系统压力分布。阀芯系统流道的边界条件可经CFD-ｐｏｓｔ图来取点，Fluent中设置的边界条件是压力进出口，经测量阀芯系统进出口压力较平均，所以压力进口值设为6.75MPa，出口值为4.3MPa。根据所测压力，模拟阀芯系统压力。此外，平衡孔基本不产生节流作用，主要压降发生在小阀芯和阀芯间流道中。阀芯表面压力可测量为约6.6MPa，根据4.3MPa的压力出口，上下压差为2.3MPa。

按模拟情况分析阀芯受力：①压差力：(Pe-Pi)A=222678N；②弹簧力：8457N；③重力：813N。压差力和重力之和远大于弹簧力，所以可确定在额定工况下阀芯和小阀芯间能保持稳定的3mm间隙。

对于额定工况，若小阀芯和阀芯之间有2.5mm流道，阀芯也可向下距离为0.5mm。在编写UDF时，限制阀芯的移动距离反映了位移约束(-0.5mm、-3mm)，分别是约束上下限。从数值模拟结果可知，阀芯和小阀芯间可保持稳定的3mm间隙，所以在额定工况下，可经平衡孔利用压差力使阀芯不振动。

参考文献：

[1]尚雪莲.核电站用气动调节阀的选型与应用问题探究[J].自动化仪表，2016，33(05):38-42.

[2]彭仕旭,王修炎. 汽轮机高压调节阀阀杆断裂故障分析及处理.建筑技术科学,2021-12.