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基本信息

項目名稱：
高工況過熱蒸汽疏水閥流場分析及消聲器優(yōu)化設(shè)計
小類：
能源化工
簡介：
采用有限元法模擬高工況下蒸汽疏水閥內(nèi)二維非定常湍流激振特性，基于時均模擬和大渦模擬兩種方法，模擬分析過熱蒸汽疏水閥及管道產(chǎn)生湍流旋渦的主要因素,研究找出產(chǎn)生振動和噪聲的流場誘因。根據(jù)頻譜特性、噪聲產(chǎn)生機(jī)理及節(jié)流降壓原理，研究設(shè)計了低振動低噪聲蒸汽疏水閥的節(jié)流降壓消聲器，并進(jìn)行頻譜分析，其消聲量試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合。運(yùn)用有限元ANSYS模態(tài)分析得出的振型和模態(tài)頻率，得出消聲器不會產(chǎn)生共振。
詳細(xì)介紹：
蒸汽作為重要二次能源，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。蒸汽疏水閥是保障蒸汽系統(tǒng)（加熱設(shè)備或蒸汽管網(wǎng)）正常工作、凝結(jié)水回收利用、節(jié)約能源的重要自力式控制類閥門。蒸汽疏水閥的主要功能是排除蒸汽管道與蒸汽用熱設(shè)備里的凝結(jié)水、同時阻止的蒸汽外漏，排除設(shè)備運(yùn)行初期的空氣和其他不凝性氣體。其作用是阻汽通水排空氣。由于能源問題和工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)大容量、高參數(shù)、高效低耗的趨勢，蒸汽疏水閥已應(yīng)用于超臨界、超超臨界核電站，核電站高溫高壓下的過熱蒸汽疏水閥的主要作用是排除過熱度達(dá)不到要求的過熱或飽和蒸汽，過熱蒸汽疏水閥內(nèi)流體介質(zhì)的流動是典型的高速湍流流動，誘發(fā)流體激振，同時產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲。湍流誘發(fā)振動和噪聲問題非常復(fù)雜，又普遍存在于工程實(shí)際問題中（核電站過熱蒸汽疏水閥湍流流動、普通蒸汽疏水閥在啟閉瞬間引起振動與噪聲），研究這一現(xiàn)象需要用到結(jié)構(gòu)力學(xué)、振動力學(xué)及流體力學(xué)知識。如果在設(shè)計過程中沒有考慮流體誘發(fā)振動和噪聲問題，或者由于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜以及高雷諾數(shù)，不能對這一現(xiàn)象給出精確的預(yù)測，將可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計不可靠，降低使用壽命，在經(jīng)濟(jì)上帶來不得估量的重大損失。 針對高參數(shù)、大容量要求的蒸汽疏水閥，本課題提出選用高壓超大排量蒸汽疏水閥，其排量為30t/h、進(jìn)口壓力為8Mpa、溫度為300℃的過熱蒸汽介質(zhì)進(jìn)入蒸汽疏水閥，通過采用有限元法模擬高工況下蒸汽疏水閥內(nèi)二維非定常湍流激振特性，基于大渦數(shù)值模擬分析過熱蒸汽疏水閥及管道產(chǎn)生湍流旋渦的主要因素，研究找出產(chǎn)生振動和噪聲的流場誘因。其次根據(jù)FLUETN氣動噪聲軟件和聲學(xué)理論對蒸汽疏水閥內(nèi)流體介質(zhì)進(jìn)行頻譜分析，從頻域和流場的壓力脈動找出振源和噪聲源及其峰值頻率的范圍。得到噪聲的頻率范圍和噪聲聲壓級。然后根據(jù)所得的頻譜特性，結(jié)合噪聲產(chǎn)生機(jī)理及節(jié)流降壓原理，研究設(shè)計了低振動低噪聲蒸汽疏水閥的節(jié)流降壓消聲器——節(jié)流降壓消聲器，并通過FLUETN氣動噪聲軟件對消聲器進(jìn)行頻譜分析，得到消聲器的頻譜曲線圖，對照蒸汽疏水閥和消聲器的頻譜圖，其兩圖聲壓的對比結(jié)果即為消聲器的消聲量，同時得到兩圖的頻率范圍；運(yùn)用有限元ANSYS模態(tài)分析得出的振型和模態(tài)頻率，分析消聲器是否會產(chǎn)生共振及對消聲器消聲效果進(jìn)行驗(yàn)證。為設(shè)計出具有消聲減振且性能優(yōu)良的蒸汽疏水閥提供了可靠依據(jù)。

作品圖片

  • 高工況過熱蒸汽疏水閥流場分析及消聲器優(yōu)化設(shè)計

作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

蒸汽疏水閥已應(yīng)用于超臨界、超超臨界核電站，核電站高溫高壓下的過熱蒸汽疏水閥的主要作用是排除過熱度達(dá)不到要求的過熱或飽和蒸汽，過熱蒸汽疏水閥內(nèi)流體介質(zhì)的流動是典型的高速湍流流動，誘發(fā)流體激振，同時產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲。通過時均模擬與大渦模擬研究找出產(chǎn)生振動和噪聲的流場誘因。結(jié)合噪聲產(chǎn)生機(jī)理及節(jié)流降壓原理，研究設(shè)計了低振動低噪聲蒸汽疏水閥的節(jié)流降壓消聲器，消聲器的消聲量與理論計算符合，各參數(shù)滿足實(shí)用要求。

科學(xué)性、先進(jìn)性

1、貼近實(shí)際，熱力過程參數(shù)高，課題研究具有先進(jìn)性和新穎性 蒸汽疏水閥作為蒸汽系統(tǒng)重要的自力式控制類閥門得到廣泛的應(yīng)用。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大已廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、超大排量等高參數(shù)的超臨界及超超臨界場合。但目前國內(nèi)外在此方面的研究不夠深入，僅限于對管道進(jìn)行的削振減噪研究，在蒸汽疏水閥閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行消聲減振的主動優(yōu)化設(shè)計的研究目前還不多見。 2、基礎(chǔ)理論研究具有科學(xué)性和新穎性 蒸汽疏水閥作為蒸汽系統(tǒng)節(jié)能的重要部件，國內(nèi)外在該系統(tǒng)消聲減振領(lǐng)域的研究仍然是在靜力學(xué)基礎(chǔ)上的靜態(tài)分析，無法滿足高參數(shù)的要求。本課題把蒸汽疏水閥與蒸汽管道作為系統(tǒng)來考慮，通過動力學(xué)的湍流運(yùn)動的基本方程和CDF數(shù)值方法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的蒸汽疏水閥的流道進(jìn)行簡化與進(jìn)行數(shù)值模擬，為蒸汽疏水閥消聲減振研究提供了可靠、新穎的理論研究。 3、消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計新穎 依據(jù)高溫高壓過熱蒸汽通過蒸汽疏水閥所產(chǎn)生的與振動和噪聲，通過對高溫高壓過熱蒸汽疏水閥流體激振特性的分析，選擇了新穎的低噪聲蒸汽疏水閥的節(jié)流降壓消聲器。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

無

作品所處階段

現(xiàn)所品所處階段為中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

作品可展示的形式以圖紙的形式進(jìn)行展示。

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

蒸汽疏水閥內(nèi)部的流道具有典型的節(jié)流特征，在其啟閉瞬間介質(zhì)的流態(tài)是典型的高速湍流，若在設(shè)計過程中對流體誘發(fā)振動和噪聲問題沒有經(jīng)過充分考慮，有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計不可靠，使用壽命降低，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)蒸汽疏水閥介質(zhì)參數(shù)較低，流體誘發(fā)振動和噪聲問題很少出現(xiàn)。隨著工業(yè)規(guī)模擴(kuò)大和高強(qiáng)度材料的使用，閥體結(jié)構(gòu)變得較薄，更容易誘發(fā)振動；同時工業(yè)生產(chǎn)要求疏水閥部件間流動的流體介質(zhì)參數(shù)趨向于高溫、高壓、超大排量等高參數(shù)，這更是導(dǎo)致振動的原因。因此，流體誘發(fā)振動問題受到普遍關(guān)注，但在國內(nèi)外這方面的研究還不夠豐富，可見，深入和系統(tǒng)地研究這一問題對滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)、市場需求及高效低耗有重要的意義。

同類課題研究水平概述

由于能源問題的日益突出和工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，蒸汽疏水閥向高效、高溫、高壓，大排量的方向發(fā)展。國內(nèi)外基礎(chǔ)研究嚴(yán)重缺乏，研究機(jī)構(gòu)少，因此造成該領(lǐng)域資料極少，仍在靜力學(xué)研究的基礎(chǔ)上。但通過靜力學(xué)的研究已無法滿足高參數(shù)、大排量的要求，而且這方面的研究還沒有完全開展。通過本課題用數(shù)值模擬方法對過熱蒸汽疏水閥內(nèi)的流場分析及噪聲的分析，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行狀況研制出控制疏水閥噪聲的節(jié)流降壓消聲器，有助于提升國內(nèi)蒸汽疏水閥在高參數(shù)下運(yùn)行的高效性與可靠性。直到上世紀(jì)50年代，由于控制閥噪聲引起的事故縷縷被報道，才引起了閥門制造商和相關(guān)部門的極大關(guān)注。流體在閥門內(nèi)部的流動是非常復(fù)雜的，在上世紀(jì)50年代這一領(lǐng)域仍然沒有大的研究結(jié)果。1955年，IEC（國際電工委員會）起草了一個關(guān)于理想氣體的控制閥預(yù)測氣動噪聲的標(biāo)準(zhǔn)70年代到90年代噪聲控制技術(shù)逐步成熟，目前國外常用的噪聲控制技術(shù)有隔聲、隔振、消聲、吸聲阻尼等，主要是在聲源、聲場傳播途徑及接受點(diǎn)上進(jìn)行控制和解決。中國聲學(xué)科學(xué)家馬大猷院士等人對高壓阻塞噴注的湍流噪聲及阻塞噴注的沖擊噪聲進(jìn)行了深入研究，利用消聲器的原理在控制閥出口處給閥門集成消音器件，并得到了一些關(guān)于聲壓級的經(jīng)驗(yàn)公式，得到了低壓時使用的小孔消聲器在高壓下仍然有效的結(jié)論，可以方便處理和降低閥門噪聲，同時也得到了沖擊噪聲是阻塞噴注噪聲的主要部分的結(jié)論。卞兆雙在《熱電廠鍋爐排汽噪聲治理研究》中通過對排汽噪聲特征的分析以及消聲效果試驗(yàn)，優(yōu)先設(shè)計出一種效果良好的消聲器——節(jié)流降壓、小孔噴注復(fù)合消聲器，降噪量30dB(A)左右。周敬宣等在《多級降壓消聲器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究》中根據(jù)多級降壓消聲器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工程設(shè)計理論以消聲器各級幾何參數(shù)為邊界條件，建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，利用復(fù)合形優(yōu)化算法，對之建立了優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模，并利用此方法對多級降壓消聲器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在國內(nèi)消聲器的研究較少，因此國內(nèi)消聲器的研究和蒸汽疏水閥消聲減振研究均有待進(jìn)一步完善。
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