【導讀】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。凝器的工作環(huán)境。和機構上完全不同以往的水位調(diào)節(jié)器。在該調(diào)節(jié)器的設計過程中有效的將噴嘴擋板理論和節(jié)流。靈敏度高的特性。同時，在具體的設計過程中，通過應用Pro／E、率，為以后的工程設計提供了一種新的設計思路。節(jié)實驗，對調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能進行檢驗。andCAEsoftware，Pro／e，ANSYS，andFLUENT，itreducethedesign. 由作者本人獨立完成的。引用已在文中指出，并與參考文獻相對應。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律。結果由本人承擔。蒸汽動力裝置是利用熱源將通過鍋爐和蒸發(fā)器的水加熱為蒸汽，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。蔽性，削弱戰(zhàn)斗力。將乏汽冷凝為水作為熱力系統(tǒng)做功的工作水，即完成了一個閉式循環(huán)，主冷凝器就是實現(xiàn)這一目的的設備。主冷凝器中水位的高低對主冷凝器

　　

【正文】 力系數(shù)； 島一閥后的阻力系數(shù)； 。一入口處的伯努利系數(shù)； 磊：一出口處的伯努利系數(shù)。 當入口和出口的管道直徑相同時，乞。 =厶： a此時 ∑善 =蠡 +彘 (318) 當前后管道的直徑不相等時，舌和彘可以由下式求得： 和 1 L割 d (3砌 ) 和卜㈡ (320) 式中 D．一閥上游連接管道的內(nèi)徑， mm； D，一閥下游連接管道的內(nèi)徑， mm。 阻力系數(shù)卣、島可以利用流體力學的阻力計算方法來求得，一般 進出口的管道都是較短的同軸漸縮管，系數(shù)點、孝：可以按照下式求得 。 41][4 2]cd 3] 入口漸縮管： 卣 =∞ l一 (苦 ]2 l。 @． n” 鵜糾十 (鍆 ∽ zz， 如果入口漸縮管和出口漸縮管尺寸相同時： 跏168。懈 )2]2 ㈦ z。， 3 4調(diào)節(jié)閥流星特性的洗檉 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性，又稱靜特性，是指在閥前、后壓差一定 的條件下，閥門的相對行程 (即相對開度 )與通過閥門的相對流 量之 間的關系。調(diào)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，不同的閥瓣曲面可以得到不同的理想流量特性曲線。當前，國 內(nèi)外生產(chǎn)的調(diào)節(jié)閥，其理想流量特性有快開、直線、拋物線、等百分 比 (對數(shù) )等幾種形式。各種流量特性曲線和相應的閥瓣型線如圖 3． 5 所示： 1快開特性曲面 2直線特性曲面 l快開流量特性 2直線流量特性 3拋物線特性曲面 4等百分比特性曲面 3拋物線流量特性 4等百分比流量特性 a) b) 圖 3． 5理想流量特性曲線和相應的閥瓣曲面形狀 哈自 {濱【．程火。子：碩十學位論文 從上述流量特性曲線中可以看出：快開流量特性閥門在開度較小 時就有較大的流量，隨著開度的增大，流量很快就達到最大，此后再 增加開度，流量變化很小。因而快開流量特性常用于兩位調(diào)節(jié)和程序 控制。 直線特性的閥門在開度小時，流量相對變化值大，靈敏度高，不 易控制，甚至發(fā)生震蕩；而在大開度時，流量相對變化值小，調(diào)節(jié)緩 慢，不夠及時，其優(yōu)點是調(diào)節(jié)閥的流量與開度成線性變化，易于控制， 等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥在小開度時，放大系數(shù)小，調(diào)節(jié)平穩(wěn)緩和； 在大開度時，放大系數(shù)大，調(diào)節(jié)靈敏有效。拋物 線流量特性為了彌補 直線流量特性在小開度時調(diào)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(diào)節(jié)性能介于直線流量特性和等百分比流量特性 之間。在目前的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中經(jīng)常使用的是直線流量特性和等百分 比流量特性兩種。下面對這兩種流量特性的數(shù)學表達式如下所示： 直線流量特性 芒 =111+@1)爿節(jié) 1(1蜣 (3z。， 等百分比流量特性 ． =生： P㈠”：矗圳 (3— 25) ￡ k戕 上述兩式中矗 =Q礎／‰ =K，一／ K。為調(diào)節(jié)閥所能控制的最大 的流量和最小流量之比，稱為可調(diào)比?？烧{(diào)比的大小直接決定了 流量 特性曲線的走向，反映了調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能的大小，是由調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部 結構所決定，一般希望可調(diào)比盡可能大些，但由于髟。的限制，可調(diào) 比不可能太大，一般均小于 50。前面的流量特性曲線就是在可調(diào)比等 于 30的情況下繪制的。 調(diào)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。調(diào)節(jié)閥閥瓣的設計一 般是在流量試驗的基礎上結合近似計算或者圖解法來進行，不能得到 精確的理論計算方法。國內(nèi)外的資料中推薦通過試驗來修正調(diào)節(jié)閥的 閥瓣型線。具體方法是首先用一個經(jīng)過初步設計的閥瓣 和設計好的閥 哈爾濱工程火學碩士學位論文 體，做初步的流量試驗，繪制出流量特性曲線。再利用這些數(shù)據(jù)與擬 選定的流量特性曲線進行比較，來修正閥瓣的型線，經(jīng)過多次的重復 試驗，使之達到設計流量特性的要求。 3． 5本章小節(jié) 本章簡要介紹了調(diào)節(jié)閥的概況、組成、分類。重點介紹了調(diào)節(jié)閥 設計中呃待解決的調(diào)節(jié)閥口徑選擇和閥瓣型線設計這兩個問題。在調(diào) 節(jié)閥口徑的選擇中，通過其設計流程圖依次介紹調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的計 算，阻塞流、低雷諾數(shù)以及管件形狀對流量系數(shù)的影響，通過對這些 參數(shù)就行修正，得出合理有效的 流量系數(shù)，在此基礎上選擇閥門口徑。 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(diào)節(jié)性能，選擇在調(diào)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。在此基礎上結合大量的試驗就可以得到理想的閥瓣型線。 在解決好這麗個問題的基礎上，即可完成一個閥門的初步設計。 哈爾濱 T程大學碩士學位論文 第 4章水位調(diào)節(jié)器的結構設計與分析 4． 1概述 主冷凝器是蒸汽動力裝置中的一個主要設備。主冷凝器的水位對 其能否正常工 作有重要的意義。當主冷凝器中的水位過高時，將影響 蒸汽的冷凝 并引起冷 凝器中真 空的下降 ，進而降 低汽輪機 的工作效 率； 當主冷凝器的水位過低時，凝水泵易發(fā)生汽蝕，從而降低設備的使用 壽命，增加經(jīng)濟投入。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。主冷 凝器水位調(diào)節(jié)器就是起著這種作用的一個設備。該調(diào)節(jié)器采用自能源、 純機械的調(diào)節(jié)方式，綜合了節(jié)流管調(diào)控閥門和噴嘴擋板閥的設計特點， 是一種全新的水位調(diào)節(jié)器。 4． 2水位調(diào)節(jié)器的工作原理 4． 2． 1水位調(diào)節(jié)器的組 成 如圖 4． 1所示，主冷凝器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由： l冷凝器 2電動 給水泵 3熱阱 4電動凝水泵 5噴射泵 6過濾器 7穩(wěn)壓器 8壓力表 9節(jié) 流件 10浮子發(fā)訊器 11三通調(diào)節(jié)閥 12控制腔室 (1)13控制腔室 (2)14 上腔室 15下腔室 16節(jié)流管組成。 4． 2． 2工作原理 本水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實驗臺架是在哈爾濱工程大學“ 01”蒸汽動力 裝置主冷凝器水位調(diào)節(jié)器的基礎上搭建起來的。在早期的實驗中主要 進行的是冷態(tài)實驗的研究。由于經(jīng)費等因素的限制，不能啟動整套動 力裝置。因此，利用電動給水泵從熱阱向主冷凝器補水來模擬冷凝器 中蒸汽凝結為水這一動態(tài)過程。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。自來水管中的水依次流經(jīng)過濾器、穩(wěn)壓器和節(jié) 流件，然后分成兩部分分別流向發(fā)訊器的上下噴嘴，上下噴嘴再分別 1冷凝器 2電動給水泵 3熱阱 4電動凝水泵 5噴射泵 6過濾器 7穩(wěn)壓器 8壓力表 9節(jié)流件 10浮子發(fā)訊器 11三通調(diào)節(jié)閥 12控制腔室 (1) 13控制腔室 (2) 14上腔室 15下腔室 16節(jié)流管 圖 4． 1主冷凝器水位調(diào)節(jié)器系統(tǒng)圖 與控制腔室 (1)和控制腔室 (2)相通，為調(diào)控節(jié)流管提供驅(qū)動力。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。當水位處于正常水位時，浮子擋板與 上下噴嘴的距離相等。此時，輸出到控制腔室 (1)和控制腔室 (2)的水的 壓力大小相等 (即 Pl=P2=Po)，三通調(diào)節(jié)閥分配到熱阱和主冷凝器的 水的流量保持不變，整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當主冷凝器中的水 位升高時 (主要通過提高電動給水泵的給水流量來實現(xiàn) )，發(fā)訊器浮 子 也隨之向上運動，浮子擋板與上噴嘴的距離減小，與下噴嘴的距離增 大。在節(jié)流作用的影響下，上噴嘴輸出到控制腔室 (1)的壓力增大，下 噴嘴輸出到控制腔室 (2)壓力減小，此時 PjP2。在這一差壓作用下， 節(jié)流管的運動狀態(tài)發(fā)生變化，向下運動，使得下腔室的壓力升高。從 而使調(diào)節(jié)閥的閥頭受到向下的合力，調(diào)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(diào)節(jié)閥重新處于平衡狀態(tài)【 4“。 當主冷凝器的水位降低時 (主要通過減小 電動給水泵的流量來實 現(xiàn) )，調(diào)節(jié)過程與水位升高時恰恰相反，三通調(diào)節(jié)閥流入主冷凝器的水 量增加，流向熱阱的水量減少，主冷凝器的水位回升，直至恢復至正 常狀態(tài)。 4． 3水位調(diào)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(diào)節(jié)器中，水位調(diào)節(jié)器的測量環(huán)節(jié)和先導 驅(qū)動機構都集中于雙噴嘴一擋板發(fā)訊器內(nèi)。這使得發(fā)訊器的設計變得 尤為重要，設計效果的好壞直接關系到后續(xù)工作能否順利進行。由于 發(fā)訊器實際上就是一個噴嘴擋板閥，在它的設計過程中應用了噴嘴擋 板閥的設計理論。在發(fā)訊器的設計中，涉及到 諸如噴嘴、浮 子的設計 、 管路的連接以及材料的選擇等問題。在這些問題中，首要解決的是噴 嘴直徑 D。、擋板的零位間隙 x。、固定節(jié)流 1： 3直徑 D0的選擇。 由式 (2— 10)、式 (2一 11)、式 (2一 12)可以看出，零位間隙對壓力 靈敏度和零位泄漏量影響很大，減小噴嘴擋板零位間距 x。可以提高壓 力靈敏度和減少零位泄漏量，但是零位間距 X。過小，噴嘴對液體污染 很敏感 ，易 發(fā)生 堵塞 現(xiàn)象 。增 大噴 嘴直徑 D ?？梢?提高 閥的 流量 增益 ， 但是零位漏泄量也隨之增大。所以要在兼顧利害的情況下，做好 D。、 x。、鼠的選擇工作。 在 本次設計中，根據(jù)式 (239)、式 (2— 40)、式 (2— 41)、式 (2— 42)的 計算方法進行計算。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。 =2ram，零位間隙 X， o=0． 2mm。 在發(fā)訊器的設計過程中還要特別注意以下幾個問題： 1．發(fā)訊器與主冷凝器相連接的管路不要過細，以免造成發(fā)訊器與 主冷凝器中的水位不同步現(xiàn)象，進而影響水位調(diào)節(jié)的靈敏度。為了滿 哈爾濱腳鼙大學碩士學位論文 足這一要求，連接管路的直徑應不小于 20mm。在本次設計中選用 直徑 為 20mm管路連接。 2．浮子的 材料選 為鈦 合金。 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。 3．浮子的實際尺寸應遵循浮子露出水面的體積為其總體積的 1／ 3～ 1／ 2原則。 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。 4． 3． 2節(jié)流管的設計 節(jié)流管是水位調(diào)節(jié)器的放大環(huán)節(jié)，將通過發(fā)訊器上下噴嘴產(chǎn)生的 壓力差進一步放大，是執(zhí)行機構 (三通調(diào)節(jié)閥 )的驅(qū)動力的直接來源。 調(diào)控節(jié)流管的設計，主要是從幾個方面考慮的： 1．要保證節(jié)流管的運動產(chǎn)生足夠的驅(qū)動力； 2．盡量減少節(jié)流管的重量，使得節(jié)流管的重力不要成為改變其 運動狀態(tài)的主要因素； 3．節(jié)流管的內(nèi)徑不要太小，否則節(jié)流管易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，同時 由于下腔室的流體不能及時流往上腔室，調(diào)節(jié)閥工作過程中 易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。 鑒于上述因素的影響，節(jié)流管材料選擇為鈦合金，主要是考慮到 鈦合金的強度較高，同時密度較小，可以降低節(jié)流管重力對調(diào)節(jié)效果 的影響。為進一 步降低節(jié) 流管的重力 ，控制腔室 (1)與控制腔室 (2)采用 膜片分隔而不是傳統(tǒng)的控制活塞。由于膜片具有一定的彈性，使得節(jié) 流管的運動較為穩(wěn)定不會出現(xiàn)較大的震蕩。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。增大節(jié)流管內(nèi)徑可以提高流 量增益，但是會使零位泄漏流量增大。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。其長度在滿足運動行程的條件 應盡可能小，以減少重力對調(diào)節(jié)特性的影響。在本設計中，其長度初 哈爾濱 l。程大學碩士學位論文 步選擇為 200mm，并在以后的試驗中逐步進行調(diào)整以滿足設計要求。 4． 3． 3穩(wěn) 壓器的設計 穩(wěn)壓器主要向發(fā)訊器的上下噴嘴提供 O． 1177。 o． 01MPa的工作水。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。 O． 01MPa。在 滿足 穩(wěn)壓閥 進出 口條件 的前 提下 ，穩(wěn)壓 閥的 設計