【正文】 摘 要當前的主冷凝器水位調節(jié)裝置存在著靈敏度低、穩(wěn)定性差、設備 龐大、裝卸維修不便等缺陷，一定程度上限制了動力裝置的正常工作。有關觀點、方法、數(shù)據(jù)和文獻等的 引用已在文中指出，并與參考文獻相對應。通過汽輪機的高溫高壓蒸汽做功后，蒸汽參數(shù)發(fā)生很大的變 化，整個乏汽所占據(jù)的空間非常驚人，如果不加以利用的話，僅僅是 排出乏汽也是一項很重的負擔，特別是在核潛艇上，將大大降低其隱 蔽性，削弱戰(zhàn)斗力。所以必須保持主冷凝器中的水位在一 個合理范圍內(nèi)，只有這樣才能保證主冷凝器的正常工作。1．2液位調節(jié)系統(tǒng)的概述在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對液位進行控制的場所隨處可見。本課題哈爾濱工程大學碩士學位論文所設計的水位調節(jié)器就是屬于供給式液位調節(jié)器?！薄?68。目前的主冷 凝器水位調節(jié)器研究和使用主要分為兩個方向：機械式和電動式兩種。早一點的電動式水位調節(jié)器以前蘇聯(lián)“尤里安” 號船上鍋爐所采用的PI調節(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調節(jié)連續(xù)給水系統(tǒng)的水位調節(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， 轉換成電信號的形式，電信號經(jīng)過放大，從而驅動電動給水調節(jié)閥以 及給水泵動作保證水位的平衡穩(wěn)定。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，設備造價昂貴這都是影響其進～步發(fā)展的因素C2“。我 們擬設計的水位調節(jié)器就是一種完全機械的，自能源的水位調節(jié)器。在設計過 程中，吸取了節(jié)流管調控式閥門和噴嘴一擋板閥的優(yōu)點，有效的將兩種 閥門設計思想結合起來，提出了一種全新的水位調節(jié)器設計理念。穩(wěn)壓器負責向雙噴嘴一擋板發(fā)訊器提供穩(wěn)定壓力的水，作為調節(jié)閥 驅動力的來源。對于提高設計水平，降低工作強度起著重要的作 用。由于噴嘴擋板閥具有靈敏度高、結構簡單、不易堵塞和所 需的機電控制元件少等特點而被廣泛應用。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。o12如果取這一點作為零位，即Xf=0，z=x。烈“礦蛾莎 ∽㈣哈爾濱．E程大學碩士學位論文‰2孰2：e?！啊［?／虧‘n一只)(215)利用式(28)，則以上方程可簡化為QL39。將P。．．．．．。后 ∽zz，‰=亂10_囂 (2—23)K：一絲I：一C,∥死DNx；o (2—24)。vN 啦一261式中 R一噴嘴孔處的壓力；哈爾濱工程大學碩士學位論文A：型薯一噴嘴孔的面積甌=VnA。一Xf)很小時，式(2—30)中括號內(nèi)的第二項就可以忽略，作用在擋板上的液動力就近似地等于靜壓力與噴嘴孔面積的乘積。通常，既可以用一個彈簧來平 衡這個力，也可以在擋板的另一面裝一個小活塞并以壓力P。同樣的，在P一定時液動力剛度為負值，哈爾濱T程大學碩士學位論文且為單噴嘴擋板閥的2倍。r 西2 r 出為了防止擋板可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，必須使扭轉彈簧剛度Ka／r2大于激流力的負剛度(8萬C芻Psx。噴嘴直徑可根據(jù)系統(tǒng)要求的流量增益確定。一般可在0．025～0．125毫米之間選取。在0．3Ps～0．7Ps的范圍選取， 也可以得到良好的性能，此時由式(241)可求得相應的Dn。噴嘴與擋板間的可變節(jié)流口的流量系數(shù)c，的確哈爾濱f：f￡大學碩士學位論文定是比較復雜的。應盡可能小些。最后，簡要介紹了噴嘴一擋板閥的主要設計參數(shù)如噴嘴直徑D。調節(jié)閥的類型 主要是由執(zhí)行機構來決定。調節(jié)閥口徑選擇是 閥門的設計中一個關鍵環(huán)節(jié)。以 及選定系統(tǒng)壓差。一調節(jié)閥后壓力。番=Q√臺 ∽e，圖3．2流體流過調節(jié)閥時的壓力和速度的變化關系c就是流量系數(shù)，與閥芯和閥座的結構、閥前后的壓差以及流體 的性質有關。但是由于存在著相 互摩擦，會損失一部分能量，閥后的壓力P。大很多。只是阻塞流條件下節(jié)流處壓力與閥入口溫度下液體飽和蒸汽壓 力B的比值，是乃與液體臨界壓力只之比的函數(shù)。一流過調節(jié)閥的體積流量，單位：m3／h；△P一調節(jié)閥前、后的壓差，單位：kg／h； p一流體的密度，單位：g／cm3。而流量系數(shù)是 在一定的雷諾數(shù)、湍流情況下測定的。從圖3．4的雷諾數(shù)修正系數(shù)的曲線中可以看出：當雷諾數(shù)Re大 于3500以后，修正量已經(jīng)不大了，所以雷諾數(shù)大于3500就不需要進 行低雷諾數(shù)修正。一靠： (3—17) 式中 直一閥前的阻力系數(shù)；島一閥后的阻力系數(shù)；。懈)2]2 ㈦z。拋物線流量特性為了彌補 直線流量特性在小開度時調節(jié)性能差的特點，在此基礎上派生出的一 種流量特性曲線，其調節(jié)性能介于直線流量特性和等百分比流量特性 之間。調節(jié)閥的理想流量特性曲線主要取決于閥瓣的幾何形狀和尺寸， 不同的閥瓣型面可以得到不同的理想流量特性。 而在閥瓣的型線設計中，通過對幾種不同流量特性曲線的對比，得出 不同流量特性曲線的調節(jié)性能，選擇在調節(jié)閥設計中廣泛使用的直線 特性曲線和等百分比特性曲線就行分析，給出了這兩種特性曲線的關 系表達式。該調節(jié)器采用自能源、純機械的調節(jié)方式，綜合了節(jié)流管調控閥門和噴嘴擋板閥的設計特點， 是一種全新的水位調節(jié)器。發(fā)訊器 與主冷凝器的汽空間和水空間直接相連，發(fā)訊器的浮子的位置變化直 接反映了主冷凝器的水位變化。4．3水位調節(jié)器各組成部分的設計計算4．3．1發(fā)訊器的設計在設計的主冷凝器水位調節(jié)器中，水位調節(jié)器的測量環(huán)節(jié)和先導 驅動機構都集中于雙噴嘴一擋板發(fā)訊器內(nèi)。可以提高壓 力靈敏度和減少零位泄漏量，但是零位間距X。通過計算確定節(jié)流孔板前后管道直徑為dP5mm， 節(jié)流孔板直徑Do=1,33ram，噴嘴直徑D。4．發(fā)訊器的殼體為玻璃圓筒，使得浮子的狀態(tài)一目了然，便于觀 察，但是在密封發(fā)訊器時又帶來了其他問題，由于采用柔性密封，在 保證密封的情況下，零位間隙難以得到保證，給工作帶來了一定難度。綜合上述情況，并考慮到加工 條件的限制，選擇節(jié)流管內(nèi)徑為5mm。在滿足穩(wěn)壓閥進出口條件的前提下，穩(wěn)壓閥的設計主 要包括以下幾個方面：1．穩(wěn)壓器形式的選擇 在穩(wěn)壓器設計中，考慮到與發(fā)訊器之間的連接，同時盡可能減少重量、簡化結構、減少安裝空間，穩(wěn)壓器采用如圖4．2所示的形狀。 當工作水源的壓力變化0．1MPa時，出口壓力的變化值為：心：盟：!：!!!．0．1：0．0013MPa哈爾濱『：程大學碩十學位論文所以工作水源的壓力變化范圍為O．1～0．3MPa時，出口壓力的壓力 偏差仍能保證在177。具體設計過程如下：1．三通調節(jié)閥形式的選擇 閥門的選型是閥門設計過程中的第一個環(huán)節(jié)。這些粒子的存在加劇了對材料 的腐蝕，因而耐腐蝕性成為材質選擇的重要指標。由于兩個 出口中，通往冷凝器的參數(shù)易于確定，因而將通往冷凝器的開口保持 在全開狀態(tài)。又因為管道直徑與調節(jié)閥公稱直徑之比為1．25， 小于1．5，所以不需要進行管道形狀的修正。Fluent是目 前工程上常用的cFD軟件，廣泛用于解決傳熱和流體流動等問題。由于本課題設計的調節(jié)閥是三通，且通往出口的兩 個腔室流動狀態(tài)基本相似，所以只討論在一個出口完全打開、另一個 完全關閉的情況下，流體在流道內(nèi)流動狀態(tài)。利用fluent6．0解算器進行計算，具體的計算設置如下所示：數(shù)據(jù)精度：單精度 方程格式：隱式方程 幾何模型：3D 流場狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)流動 解算器模型：k—e模型 計算流體：H20(303Ko) 邊晃條件： 速度入口：3．5m／s 自由流出口 迭代初始速度入口 迭代收斂精度：1．Oe一4設置迭代次數(shù)為1000，開始迭代。在導入過程中，應選擇FLUENT一3D求解器。利 用Pro／ENGINEER不僅可以快速、方便、有效的建立數(shù)學模型，同時 還提供了各種輸出格式，可以為各種專業(yè)軟件所應用f55l【5酣。6．流道設計與分析 本課題設計的三通調節(jié)閥的內(nèi)部結構較為復雜，很難直接判斷閥內(nèi)流體的流動狀態(tài)。=7．19105遠遠大于3500，所以不需要進行低雷諾數(shù)修 正。在計算流量系數(shù)之前，首先要確定閥前后的壓差、流體介質的物理參數(shù)以及最大流量等。本調節(jié)閥的工作環(huán)境較為優(yōu)良，溫度、壓力對材質選擇的影 響不大。在調節(jié)閥的設計中， 要解決好諸如材料的選擇、流道的設計、閥門口徑的選擇、閥座的選 擇、閥芯的選擇、密封等問題。故工作膜片的有效面積為：F：喪(Dz—dl 2)：12．566耐7(4—2)15．穩(wěn)壓閥的特性分析 因為穩(wěn)壓閥的工作水源壓力變化較大，故本設計著重考慮的是壓力特性，即穩(wěn)壓閥在入13壓力變化較大時，出口壓力能否穩(wěn)定在設計 要求范圍內(nèi)。在 本次設計中選用自來水作為工作水源，即穩(wěn)壓器的入口壓力為 P1=0．2～0．4MPa、流量G=60～160L／h、穩(wěn)壓器的出口壓力為 O．1177。在節(jié)流管的設計中，主要 解決的問題是節(jié)流管長度和內(nèi)徑的選擇。主要是鑒于鈦合金抗壓強度較高、耐 腐蝕能力強同時密度較低這些方面的考慮。、鼠的選擇工作。、固定節(jié)流1：3直徑D0的選擇。從 而使調節(jié)閥的閥頭受到向下的合力，調節(jié)閥通往冷凝器的開度減小，哈爾濱一．干千11人學碩十學位論文通往熱阱的開度變大，主冷凝器的水位逐漸回落，浮子恢復躉合理位 置，調節(jié)閥重新處于平衡狀態(tài)【4“。在后期的熱態(tài)試驗中需對試驗臺架進哈爾濱1群人學碩十學位論文行進一步改進，拆卸電動給水泵和通過電動給水泵的管路，恢復通往 主冷凝器的蒸汽管路。所以，必須保證主冷凝器的水位在一個合理的 范圍內(nèi)，只有這樣才能保證整個系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟的運行。重點介紹了調節(jié)閥 設計中呃待解決的調節(jié)閥口徑選擇和閥瓣型線設計這兩個問題。的限制，可調比不可能太大，一般均小于50。因而快開流量特性常用于兩位調節(jié)和程序 控制。一(苦]2 l。5％的允許誤差范圍內(nèi)，可凡= 麗 (3—16)以用下列公式計算：式中 Cloo一額定流量系數(shù)；d一閥公稱尺寸，mm： N2一數(shù)字常數(shù)，采用國際單位制時為0．0016；∑f一調節(jié)閥上全部管件的阻力系數(shù)和。設校正后的流量系 數(shù)為K。 因而，在閥門的選擇、設計中應盡量避免出現(xiàn)阻塞流” 。在出現(xiàn)阻塞流的情況下， 以剛好出現(xiàn)阻塞流時的壓差△P，作為計算壓差；在未出現(xiàn)阻塞流的情 況下，以閥前、后的實際壓差計算流量系數(shù)。在調節(jié)閥的設計計算中，E，可 以參照表3．1選用” 。此時，若按實際壓差計算的QI。實際情況是：流體流過調節(jié)閥，閥 芯與閥座處由于通流面積最小，速度達到最大，靜壓最小，此后由于 通流面積逐漸增大，流速減小，靜壓逐漸恢復。萬A J等3c√等cmⅦ， c。如圖3．2所示：圖3．2為一前后管徑一致的調節(jié)閥，根據(jù)能量守恒原理，流經(jīng)調 節(jié)閥的流體能量損失為H=(只一馬)／P (31)式中： H一單位質量流體流過調節(jié)閥的能量損失； P。在計算流量系數(shù)之前，首先要確定計算流量Qm。在調節(jié)閥的設計計算中，經(jīng)常提到調節(jié)閥通徑。3．2調節(jié)閥的組成及分類調節(jié)閥是由執(zhí)行機構和閥組成的。2．6本章小節(jié)本章簡要介紹了噴嘴一擋板閥的基本理論，通過對單噴嘴一擋板 閥和雙噴嘴一擋板閥的主要特性參數(shù)的對比，發(fā)現(xiàn)雙噴嘴一擋板閥具 有壓力靈敏度高、零位工作點的變動小、壓力一流量曲線的線性度和 對稱性好的特點。較大時，液流自噴嘴出流后，與噴嘴前端的環(huán)狀壁面重新貼附，使流量系數(shù)增大，而且隨著雷諾數(shù)增大 有所增加，此時流量系數(shù)還要受到溫度變化的影響。流量系數(shù)巴?！?．6～2_3，這是經(jīng)常 使用的參數(shù)范圍。通常取蛾孫≤(i1～≯1孕經(jīng)簡化，得到跏≤爭～魯(2t 0) 前面已經(jīng)講過，零位間隙取得小些，可以提高壓力靈敏度，減小 零位泄漏量，但對水中污物敏感，容易堵塞。擋板的零位間隙x。)卜(238)。竿I∽sz，一[t+警] ∽ss，作用在擋板上的凈液動力為R一尼=∽一剛月一4貯芻kx，o—x，)2只一(x，o+x，)2最J=PLA一47配《2 x2fbPL+A7￡《2 x2jPL一氈，￡；xfnPsxf 妲一34)在噴嘴擋板閥中，通常z，0／D”2；～素在零位附近只≈xf≈o，故式(2—34)中的第二項和第三項可以忽略掉，近似地寫為E一疋=忍山(8nC；rPsx：o訌， (235)這是雙噴嘴擋板閥液流作用力方程的線性形式。但是，這種負剛度一般都很小，因而不會引起什么問題。這就是作用在單噴嘴擋板閥上的液動力方程。／D。一?！谈娓?，一魚勢必 噸D這就是雙噴嘴擋板閥在零位q作時的壓力流量方程的線性化形 式．由該方程可直接得到零位系數(shù)：。在切斷負載(9，．=0)時，每個噴嘴腔的控制壓力 只或B可由式(2—3)求得。U D眄一眄———一線2 Q4一Q5=c礦用DⅣ，o+。哈爾濱工群大學碩七學位論文2．3雙噴嘴擋板閥的靜特性雙噴嘴擋板閥是由兩個結構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。閥在 零位h，=魷=0和R=S2p。’●一 ‘’．0O 0．4 0．8 1．2 1．6 2 2．4 2．8CdfAf／CdoAo圖2．2 單噴嘴擋板閥切斷負載時的特性11為求壓力靈敏度最大的條件，令a：魚生：—C4：z—DNx(24)a2———12一 JCdoAo Cu040式中x=x，0一x，為噴嘴與擋板間的間隙。為了減小溫度變化的影響，固定節(jié)流口采哈爾浜T程入學碩十學位論文用“短管”型的，噴嘴的端部也近于銳邊形。以此檢驗設計的水位哈爾濱11程人學碩士學位論文