【正文】 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 該動力裝置的主冷凝器水位調(diào)節(jié)器中不存在著任何的電器組件， 是一種純機械的調(diào)節(jié)方式。該水 位調(diào)節(jié)裝置在自動調(diào)節(jié)的同時，又兼 具手動調(diào)節(jié)的功能，在特殊工況或者故障情況也可保證該裝置的正常 工作。該水位調(diào)節(jié)器利用浮予來反映水位的變化，浮子與調(diào)節(jié)閥的執(zhí) 行機構(gòu)通過連桿直接相連，利用浮子的位置變化帶動閥頭的運動，改 變閥的開度，實現(xiàn)流量的合理分配，最終實現(xiàn)水位的調(diào)節(jié)。但是由于 該裝置存在顯著的缺點，如該調(diào)節(jié)裝置容易卡死、故障率高、長期運 行設(shè)備的腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，大大的制約了該設(shè)備的應(yīng)用，目前已完全被 取代。 伴隨電子技術(shù)的不斷進步，電動式調(diào)節(jié)方式被引入到水位調(diào)節(jié)系 統(tǒng)。電動式水位調(diào)節(jié)器由于具有調(diào)節(jié)速度快、 反應(yīng)靈敏等特性，得到 了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。早一點的電動式水位調(diào)節(jié)器以前蘇聯(lián)“尤里安” 號船上鍋爐所采用的 PI調(diào)節(jié)連續(xù)給水控制系統(tǒng)為例，其工作原理如圖 1． 3所示： 圖 l‘ 3 PI調(diào)節(jié)連續(xù)給水系統(tǒng)的水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖 從原理圖可以看出，傳感器發(fā)出水位信號，水位信號經(jīng)過變送， 轉(zhuǎn)換成電信號的形式，電信號經(jīng)過放大，從而驅(qū)動電動給水調(diào)節(jié)閥以 及給水泵動作保證水位的平衡穩(wěn)定。該調(diào)節(jié)器的優(yōu)點是原理簡單，控 制方便等，缺點是精度稍差，信號易失真，易受干擾等 Ⅲ 5Ⅲ州” 3。隨 著技術(shù)的進步和科學(xué)的發(fā)展，各種 性能優(yōu)良的電子設(shè)備的出現(xiàn)，電動 式水位調(diào)節(jié)器得到了廣泛的發(fā)展，調(diào)節(jié)手段更加豐富，調(diào)節(jié)效果也日 趨優(yōu)良。 現(xiàn)在的蒸汽動力裝置主要采用電動調(diào)節(jié)的方式，下面以中船重工 集團 704所研究設(shè)計的電動式水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，說明目前電動式水 哈爾濱 I．程大學(xué)碩士學(xué)位論文 位調(diào)節(jié)器的發(fā)展趨勢“”“”” 。該調(diào)節(jié)器工作原理如圖 1． 4所示： 差壓變送器用來測量冷凝器內(nèi)的水位，位移傳感器向調(diào)節(jié)器傳送 顯示負(fù)荷變化的位移信號，調(diào)節(jié)器利用差壓變送器傳送的水位信號和 位移信號進行計算，產(chǎn)生一個電信號，該電信號經(jīng)過放大處 理，輸出 到電動操作器，控制電動操作器動作，從而實現(xiàn)流量的合理分配，最 終實現(xiàn)水位的調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)裝愛與第一種相比有著顯著的優(yōu)點，該裝 置控制可靠，維修方便，調(diào)節(jié)速度快，靈敏度高，可實現(xiàn)水位的快速 調(diào)節(jié)，在任何工況下都可實現(xiàn)水位的調(diào)節(jié)。同時，該裝置不可避免的 存在著一些缺點，主要表現(xiàn)為該調(diào)節(jié)器的主要測量機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)都 是電子器件，一旦發(fā)生故障，整個裝置就徹底癱瘓，這對整個動力裝 置來說是災(zāi)難性的。因此，必須解決好電動調(diào)節(jié)發(fā)生故障時水位的正 常調(diào)節(jié)這一問題。此外，電子器件對工作環(huán)境的要求較為苛刻，而且 抗干擾 性差，設(shè)備造價昂貴這都是影響其進～步發(fā)展的因素 C2“。“。 調(diào)節(jié)器 圖 1． 4電動式水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖 就目前的發(fā)展趨勢來看，電動式水位調(diào)節(jié)裝置處于主流地位。電 動式水位調(diào)節(jié)裝置與機械式水位調(diào)節(jié)裝置相比有著顯著的優(yōu)點，并有 逐漸取代機械式水位調(diào)節(jié)裝置的趨勢，但這并不代表機械式水位調(diào)節(jié) 6 哈爾濱 L程大學(xué)碩士學(xué)位論文 裝置不再具有生命力。在一些特殊的場所，由于電動式水位調(diào)節(jié)器自 身存在著抗干擾性差、對環(huán)境的依賴性強等缺陷，通常采用機械式調(diào) 節(jié)方法。特別 是在潛艇上，由于潛艇上空氣潮濕，搖擺劇烈等，電動 式調(diào)節(jié)方式的 可靠性和安 全性難以得 到保證， 同時由于設(shè) 備的重要性 ， 一旦發(fā)生故障將直接影響整個系統(tǒng)的正常運行，這些都決定了必須采 用晟穩(wěn)妥的調(diào)節(jié)方式，以此保證在任何工況下都可對水位進行正常調(diào) 節(jié)。機械式水位調(diào)節(jié)方式就是這樣的一種調(diào)節(jié)方法，盡管在調(diào)節(jié)方式 上落后于電動 式的發(fā)展， 但在一些特 殊的場所 仍有著廣泛 的發(fā)展空間 。 因此，可以說電動式水位調(diào)節(jié)器和機械式水位調(diào)節(jié)器將長期共存。我 們擬設(shè)計的水位調(diào)節(jié)器就是一種完全機械的，自能源的水位調(diào)節(jié)器。 1． 4本課題研究的主要 內(nèi)容 本課題就是研究一種新型的水位調(diào)節(jié)裝置，該水位調(diào)節(jié)裝置與目 前常用的水位 調(diào)節(jié)裝置及 傳統(tǒng)的水位 調(diào)節(jié)裝置 相比，有著 顯著的區(qū)別 。 該裝置是一種純機械的、自能源的水位調(diào)節(jié)裝置。該裝置依靠主冷凝 器內(nèi)水位變化產(chǎn)生一個差壓信號，利用差壓信號驅(qū)動調(diào)控節(jié)流管上下 運動，引起調(diào) 節(jié)閥閥桿的 運動狀態(tài)發(fā) 生變化， 從而帶動閥 頭上下運動 ， 實現(xiàn)控制調(diào)節(jié)閥開度，合理分配通往熱阱和冷凝器的水的流量，維持 主冷凝器內(nèi)的 水位在正常 水位。因此 ，只要冷 凝器內(nèi)的水 位發(fā)生變化 ， 該調(diào)節(jié)裝置就自發(fā)的進行工作。同時該裝置不存在測量裝置和其它的 附屬 機構(gòu)，使得該調(diào)節(jié)器的實時性和同步性非常好，始終保持主冷凝 器內(nèi)的水位在 正常水位。 徹底解決了 以往調(diào)節(jié) 器存在的調(diào) 節(jié)過程遲滯 、 靈敏度差、穩(wěn)定性不好等問題。 該水位調(diào)節(jié)器與以往的水位調(diào)節(jié)裝置有著顯著得區(qū)別。在設(shè)計過 程中，吸取了 節(jié)流管調(diào)控 式閥門和噴 嘴一擋板 閥的優(yōu)點， 有效的將兩 種 閥門設(shè)計思想結(jié)合起來，提出了一種全新的水位調(diào)節(jié)器設(shè)計理念。 本課題研究的主要內(nèi)容包括：雙噴嘴一擋板發(fā)訊器的設(shè)計、穩(wěn)壓 器的設(shè)計、執(zhí)行機構(gòu)的選擇和設(shè)計、調(diào)節(jié)閥閥體的設(shè)計和閥芯的形線 設(shè)計等。 哈爾濱■科人‘￥’碩十學(xué)位論文 作 為調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動力的輸出機構(gòu)，雙噴嘴一擋板發(fā)訊器的設(shè)計應(yīng) 用了噴嘴一擋板閥的理論。目前許多水位調(diào)節(jié)裝置的驅(qū)動機構(gòu)都是利用 水位的波動產(chǎn)生一個電位信號，以此來控制執(zhí)行機構(gòu)的運動，這就存 在著這樣的問題，當(dāng)電器組件發(fā)生故障時，該設(shè)備就不能正常工作。 在噴嘴一擋板發(fā)訊器中徹底解決了這一問題，利用穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的壓 力源在水位變化時產(chǎn)生的一個壓差信號作為執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動力。只要 主冷凝器內(nèi)的水位一發(fā)生變化，噴嘴的就輸出一個壓差信號，改變調(diào) 節(jié)閥的開度，對水位進行自動調(diào)節(jié)。同時，由于不存在附屬的驅(qū)動機 構(gòu)，保證了調(diào)節(jié)器在 任何工況下都可正常工作。 穩(wěn)壓器作為調(diào)節(jié)器的動力源，在水位調(diào)節(jié)過程中起著重要的作 用。穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)向雙噴嘴一擋板發(fā)訊器提供穩(wěn)定壓力的水，作為調(diào)節(jié)閥 驅(qū)動力的來源。穩(wěn)壓器的出口水壓可以根據(jù)工作條件的不同自由選擇。 在穩(wěn)壓器設(shè)計過程中，主要解決的問題是閥座的口徑，閥芯的型面以 及工作膜片的有效面積的選擇。 三通調(diào)節(jié)閥是水位調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機構(gòu)，負(fù)責(zé)分配通往熱阱和主冷 凝器的水的流量，進而實現(xiàn)水位調(diào)節(jié)的目的。本調(diào)節(jié)器最顯著的特點 是三通調(diào)節(jié)閥利用節(jié)流管來進行調(diào)控，這與以往的調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動機構(gòu) 有著顯著的區(qū)別。由于節(jié)流管 調(diào)控閥門具有動作速度快，靈敏度高等 特點，使得整個水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作更加安全、可靠、及時。在節(jié)流管 調(diào)控閥門中，節(jié)流管對閥門的調(diào)節(jié)效果有著重要的影響，在保證調(diào)節(jié) 效果及時準(zhǔn)確的情況下，應(yīng)盡量減少節(jié)流管的尺寸，以降低其重量。 同時在調(diào)節(jié)閥的設(shè)計過程中，在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上，應(yīng)用了 FLUENT、 ANSYS等 CAE軟件。對于提高設(shè)計水平，降低工作強度起著重要的作 用。利用 FLUENT可以預(yù)測調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流場分布，對于優(yōu)化調(diào)節(jié)閥的流 道設(shè)計，減少流動阻力，降低能耗有著重要的意義。在閥門流道設(shè)計 完成的基礎(chǔ)上，利用 ANSYS對調(diào)節(jié)閥進行強度計算。在滿足強度要求 的條件下，盡可能降低閥門壁厚，不僅可以節(jié)省材料，降低成本，同 時由于減少了設(shè)備的重量，使安裝、調(diào)試、拆卸和維修都很方便。 在設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，加工出實驗樣機。在“ 01”蒸汽動力裝置 的主冷凝器水位調(diào)節(jié)實驗臺架上進行冷態(tài)實驗。以此檢驗設(shè)計的水位 哈爾濱 11程人學(xué)碩士學(xué)位論文 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能。 9 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2章 噴 嘴一擋板閥設(shè)計的理論基礎(chǔ) 2． 1概述 噴嘴擋板閥是一種通過改變擋板與噴嘴的距離來改變輸出量的 特殊閥門。由于噴嘴擋板閥具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、不易堵塞和所 需的機電控制元件少等特點而被廣泛應(yīng)用。噴嘴擋板閥常用于比例閥、 直接式數(shù)字閥、比例變量泵以及一些組合閥的先導(dǎo)控制機構(gòu)。本課題 所設(shè)計的水位調(diào)節(jié)器的驅(qū)動機構(gòu)就采用了噴嘴擋板閥技術(shù)，這種技術(shù) 的應(yīng)用在一定程度上改善了水位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)性能。因此，在下面的內(nèi) 容中，將簡要介紹一下噴嘴擋板閥的原理、工作特性、影響因素以及 設(shè)計中重點解決的問題。 2． 2單噴 嘴擋板的原理 圖 2． 1單噴嘴擋板閥的工作原理圖 圖 2． 1所示的是單噴嘴擋板閥的工作原理圖。噴嘴與擋板間的環(huán) 形面積構(gòu)成了可變節(jié)流口。為了減小溫度變化的影響，固定節(jié)流口采 哈爾浜 T程入學(xué)碩十學(xué)位論文 用“短管”型的，噴嘴的端部也近于銳邊形。 根據(jù)液流的連續(xù)性方程可得負(fù)載流量 、 Qf， =Q．一 92 (21) 將固定節(jié)流口和可變節(jié)流口的流量方程代入上式可得 姥 =CdoAoJp(肛咒 )一％一， J蓋異 @屯’ 式中： Cd。一固定節(jié)流口的流量系數(shù)： 4一固 定節(jié)流口的通流面積， A。 =z． Dn2； ％一可變節(jié)流口的流量系數(shù)； A，一可變節(jié)流口的通流面積， AI=zDⅣ (x， 0一 X． f)，其中 X。是擋板在零位時的間隙， x，是擋板偏離零位時的位移。 首先研究切斷負(fù)載時的特性．此時 Q。 =0，由式 (22)可得 斟 +c器， 2]_l ∽ s， 其曲線示于圖 2． 2上。 1 2 1 、 、 O 8 ＼ 、 0 6 ∞ d／ 0d ＼ 、 O 4 、 、●、 、●、 0 2 ‘ 1k ’ — h ?！褚? ‘’． 0 O 0． 4 0． 8 1． 2 1． 6 2 2． 4 2． 8 CdfAf／ CdoAo 圖 2． 2 單噴嘴擋板閥切斷負(fù)載時的特性 11 為求壓力靈敏度最大的條件，令 a：魚生： — C4： z— DNx(24)a2——— 12一 J CdoAo Cu040 式中 x=x， 0一 x，為噴嘴與擋板間的間隙。 利用式 (2— 4)的關(guān)系 Fh(23)可求得壓力靈敏度為 生 dx一磬 dx一旦 X羔n+口 21 ∽ s)、一～ ， 在下列條件下，壓力靈敏度將為最大 旱 (車 )：一生 (1a2)： o(26) aa ax X 即當(dāng) a：旦叢：業(yè)： 1(27) CeoAo CaoAo 時為最大，此時由式 (23)可知 p,(28) P0_P。 o12 如果取這一點作為零位，即 Xf=0， z=x。不但壓力靈敏度最高， 而且控制壓力 P。的調(diào)節(jié)范圍也比較大，在 IX， ml=x， o時為 0． 2Ps≤ eo≤ Ps 后，則得 臚淼 =√ t一知一 iXf，雁 (見圖 2． 2)。因此，若將式 (2— 7)的關(guān)系代入式 (2— 2)并進行無量綱化 ∽。， 利用 MATLAB繪制其壓力一流量曲線如圖 2． 3所示。 3H2”” 。閥在 零位 h， =魷 =0和 R=S2p。 )時的三個系數(shù)為 孫。烈“礦蛾莎 ∽㈣ 哈爾濱． E程大學(xué)碩士學(xué)位論文 ‰ 2孰 2： e。 o。 ∽ K=烈 =警 ∽， z， 圖 2． 3 單噴嘴擋板閥的壓力一流量曲線 閥在零位時的泄漏量為 見 q椰。詹 (2_13) 由以上各式可以看出，減小零位間隙，可以提高閥的壓力靈敏度 和減小零位泄漏流量，但 X． fo太小對液體污染敏感，容易產(chǎn)生堵塞。增 大噴嘴孔直徑 D?？梢蕴岣唛y的流量增益，但會使零位泄漏流量增大。 哈爾濱工群大學(xué)碩七學(xué)位論文 2． 3雙噴嘴擋板閥的靜特性 雙噴嘴擋板閥是由 兩個結(jié)構(gòu)相同的單噴嘴擋板閥組合起來按壓力 差動原理工作的，如圖 2． 4所示。雙噴嘴擋板閥是四通閥，因此可用