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1、火電汽輪機(jī)組中的管道與閥門(mén)等承壓設(shè)備長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境中,操作條件的變化使設(shè)備與蒸汽之間會(huì)產(chǎn)生較大溫差,在這種情況下蒸汽流動(dòng)對(duì)閥門(mén)內(nèi)壁將產(chǎn)生熱沖擊效應(yīng),溫度的迅速變化使壁面產(chǎn)生局部瞬時(shí)熱應(yīng)力。長(zhǎng)期的熱沖擊作用導(dǎo)致沖擊位置熱應(yīng)力反復(fù)出現(xiàn)最終產(chǎn)生熱疲勞,并在閥門(mén)相對(duì)的固定位置形成疲勞裂紋,造成閥門(mén)等設(shè)備的破壞失效。
閘閥是火電站機(jī)組系統(tǒng)中最常用的一種閥門(mén),也是熱沖擊效應(yīng)明顯的設(shè)備之一。本文結(jié)合火電站的運(yùn)行特點(diǎn),分析了火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行
2、以及啟動(dòng)過(guò)程中的溫度波動(dòng),以及溫度波動(dòng)對(duì)主蒸汽系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)以及設(shè)備壽命的影響,得出溫度波動(dòng)的范圍和分布特點(diǎn),對(duì)主蒸汽管路和蒸汽旁路中應(yīng)用的火電閘閥的安裝位置、工作參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了研究分析,并以某1000MW汽輪機(jī)組中主汽閘閥為例,得到工藝規(guī)定的閘閥內(nèi)外壁最大允許溫差值,為后續(xù)的研究分析提供了一定的工程依據(jù)和基礎(chǔ)。結(jié)合閘閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和啟閉過(guò)程中的內(nèi)部流動(dòng)特性,建立了節(jié)流、突擴(kuò)和突擴(kuò)節(jié)流三種閘閥通用簡(jiǎn)化軸對(duì)稱(chēng)模型,以描述閘閥在開(kāi)啟過(guò)程
3、以及全開(kāi)狀態(tài)下的流動(dòng)特性,并對(duì)閘閥全開(kāi)狀態(tài)下閘板對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的影響,進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下的對(duì)比和研究,結(jié)論表明:在軸對(duì)稱(chēng)模型中,閘閥全開(kāi)后閘板對(duì)流道以及閥腔迎流面分布的流場(chǎng)影響可以忽略不計(jì)。以主蒸汽閘閥的為實(shí)例,分析了閘閥不同開(kāi)度下的流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)分布,并針對(duì)流速隨時(shí)間變化時(shí)全開(kāi)狀態(tài)下閘閥的內(nèi)部流場(chǎng)分布進(jìn)行了研究分析。結(jié)論表明:全開(kāi)下的閘閥上端閥腔流速分布趨勢(shì)不受流速大小影響,全開(kāi)閘閥迎流面附近的流場(chǎng)分布相對(duì)固定,閘板以及流速對(duì)該位置的流場(chǎng)
4、分布影響不明顯。
從場(chǎng)協(xié)同理論的角度研究分析了穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱的強(qiáng)化特性,通過(guò)流速矢量方向和傳熱矢量方向的場(chǎng)協(xié)同夾角,描述熱沖擊位置對(duì)流換熱的強(qiáng)弱程度。通過(guò)對(duì)軸對(duì)稱(chēng)模型,在層流和湍流兩種流動(dòng)形式下的協(xié)同場(chǎng)研究表明,迎流面上的協(xié)同場(chǎng)分布有具一定規(guī)律性。結(jié)合閘閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn),將閘閥內(nèi)部空腔簡(jiǎn)化為矩形腔,建立了具有通用性的突擴(kuò)、節(jié)流和全啟閘閥結(jié)構(gòu)模型,用以描述忽略閘板、閘閥未全開(kāi)以及全開(kāi)情況下的閘閥特征結(jié)構(gòu),作為熱沖擊問(wèn)題的研究
5、目標(biāo)。通過(guò)對(duì)三種閘閥模型在Re=1?103、3?103、5?103、1?104、1?105和1?106共6種流動(dòng)狀態(tài)下的協(xié)同場(chǎng)研究分析,得到關(guān)鍵位置的協(xié)同場(chǎng)分布情況,結(jié)論表明:沖擊迎流面上的協(xié)同場(chǎng)分布基本以層流和湍流狀態(tài)為區(qū)別分成兩種,湍流狀態(tài)下Re數(shù)的變化對(duì)協(xié)同場(chǎng)分布影響不明顯,即湍流狀態(tài)下熱沖擊產(chǎn)生的強(qiáng)化換熱分布位置相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)比對(duì)閘閥全啟狀態(tài)下的矩形腔和柱形腔結(jié)構(gòu),結(jié)果表明閘閥迎流面的結(jié)構(gòu)對(duì)協(xié)同場(chǎng)的分布影響不大。用迎流面上協(xié)同角
6、平均值表述熱沖擊的強(qiáng)弱程度,研究了閥腔容徑比ξ變化時(shí)迎流面上平均協(xié)同角的變化規(guī)律,結(jié)果表明:容徑比ξ增大時(shí)平均協(xié)同角隨之單調(diào)遞增,即隨著容徑比ξ的增大,迎流面上的場(chǎng)協(xié)同性減弱。通過(guò)閘閥穩(wěn)態(tài)流動(dòng)協(xié)同場(chǎng)分布,描述了瞬態(tài)熱沖擊下的閘閥內(nèi)部對(duì)流換熱強(qiáng)化特性,對(duì)火電閘閥熱沖擊問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)化。
使用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律描述熱彈性本構(gòu)方程,從能量的形式對(duì)熱彈性本構(gòu)方程進(jìn)行了闡述。通過(guò)集總參數(shù)法確定了一維導(dǎo)熱過(guò)程達(dá)到熱平衡的時(shí)間,間
7、接表述了熱沖擊條件恒定情況下的一維平壁熱影響持續(xù)時(shí)間,為研究分析中時(shí)間域的確定提供了依據(jù)。對(duì)熱沖擊下對(duì)流換熱系數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行了探討,并闡述了雙向熱沖擊下溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)疊加法的應(yīng)用。針對(duì)一維大平壁的雙向熱沖擊瞬態(tài)物理場(chǎng)的疊加問(wèn)題進(jìn)行了研究和分析,將熱沖擊溫度隨時(shí)間的變化方式分為恒定、線性變化、非線性變化、周期變化以及周期變幅5種,分別對(duì)在這5種方式下沿壁厚方向溫度分布和變化的瞬態(tài)特性,并得到相應(yīng)的熱應(yīng)力分布和變化的瞬態(tài)特性。結(jié)合火電主蒸
8、汽閘閥結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn),在壓力與溫度均隨時(shí)間發(fā)生變化的條件下,研究和探討了熱-固-流多場(chǎng)耦合瞬態(tài)問(wèn)題,比對(duì)后得出結(jié)論:閘閥空腔迎流面上的溫度和應(yīng)力分布與強(qiáng)協(xié)同場(chǎng)的分布趨勢(shì)相同。
在熱沖擊下閘閥多場(chǎng)耦合研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)熱沖擊位置上分布的最大溫差、平均協(xié)同角和最大等效應(yīng)力等目標(biāo)函數(shù),與設(shè)計(jì)變量之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究和探討,并得出了熱沖擊問(wèn)題的優(yōu)化方向。建立了普適性較廣的熱沖擊簡(jiǎn)化模型研究熱沖擊的優(yōu)化問(wèn)題,對(duì)優(yōu)化過(guò)程中樣本空間
9、構(gòu)成的抽樣方法進(jìn)行了研究和探討,并對(duì)響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法和蒙特卡洛設(shè)計(jì)方法的樣本空間構(gòu)成進(jìn)行了對(duì)比,生成了熱沖擊簡(jiǎn)化模型中目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量間的響應(yīng)關(guān)系曲面圖,得到了各設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)擾動(dòng)的敏感程度。通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化得到了熱沖擊問(wèn)題的優(yōu)化方向,并使用主蒸汽閘閥為分析目標(biāo),進(jìn)行了優(yōu)化研究和分析。在閥門(mén)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,對(duì)蒸汽旁路閘閥進(jìn)行了熱沖擊實(shí)驗(yàn),測(cè)得關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力-時(shí)間分布關(guān)系,并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了熱沖擊下閘閥閥體上的瞬態(tài)應(yīng)力分布規(guī)
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