基本信息
- 项目名称：
- 高工况过热蒸汽疏水阀流场分析及消声器优化设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 采用有限元法模拟高工况下蒸汽疏水阀内二维非定常湍流激振特性，基于时均模拟和大涡模拟两种方法，模拟分析过热蒸汽疏水阀及管道产生湍流旋涡的主要因素,研究找出产生振动和噪声的流场诱因。根据频谱特性、噪声产生机理及节流降压原理，研究设计了低振动低噪声蒸汽疏水阀的节流降压消声器，并进行频谱分析，其消声量试验结果与理论分析相吻合。运用有限元ANSYS模态分析得出的振型和模态频率，得出消声器不会产生共振。
- 详细介绍：
- 蒸汽作为重要二次能源，在工业领域应用广泛。蒸汽疏水阀是保障蒸汽系统（加热设备或蒸汽管网）正常工作、凝结水回收利用、节约能源的重要自力式控制类阀门。蒸汽疏水阀的主要功能是排除蒸汽管道与蒸汽用热设备里的凝结水、同时阻止的蒸汽外漏，排除设备运行初期的空气和其他不凝性气体。其作用是阻汽通水排空气。由于能源问题和工业规模的扩大，工业生产呈现大容量、高参数、高效低耗的趋势，蒸汽疏水阀已应用于超临界、超超临界核电站，核电站高温高压下的过热蒸汽疏水阀的主要作用是排除过热度达不到要求的过热或饱和蒸汽，过热蒸汽疏水阀内流体介质的流动是典型的高速湍流流动，诱发流体激振，同时产生强烈的噪声。湍流诱发振动和噪声问题非常复杂，又普遍存在于工程实际问题中（核电站过热蒸汽疏水阀湍流流动、普通蒸汽疏水阀在启闭瞬间引起振动与噪声），研究这一现象需要用到结构力学、振动力学及流体力学知识。如果在设计过程中没有考虑流体诱发振动和噪声问题，或者由于结构形状复杂以及高雷诺数，不能对这一现象给出精确的预测，将可能导致结构设计不可靠，降低使用寿命，在经济上带来不得估量的重大损失。 针对高参数、大容量要求的蒸汽疏水阀，本课题提出选用高压超大排量蒸汽疏水阀，其排量为30t/h、进口压力为8Mpa、温度为300℃的过热蒸汽介质进入蒸汽疏水阀，通过采用有限元法模拟高工况下蒸汽疏水阀内二维非定常湍流激振特性，基于大涡数值模拟分析过热蒸汽疏水阀及管道产生湍流旋涡的主要因素，研究找出产生振动和噪声的流场诱因。其次根据FLUETN气动噪声软件和声学理论对蒸汽疏水阀内流体介质进行频谱分析，从频域和流场的压力脉动找出振源和噪声源及其峰值频率的范围。得到噪声的频率范围和噪声声压级。然后根据所得的频谱特性，结合噪声产生机理及节流降压原理，研究设计了低振动低噪声蒸汽疏水阀的节流降压消声器——节流降压消声器，并通过FLUETN气动噪声软件对消声器进行频谱分析，得到消声器的频谱曲线图，对照蒸汽疏水阀和消声器的频谱图，其两图声压的对比结果即为消声器的消声量，同时得到两图的频率范围；运用有限元ANSYS模态分析得出的振型和模态频率，分析消声器是否会产生共振及对消声器消声效果进行验证。为设计出具有消声减振且性能优良的蒸汽疏水阀提供了可靠依据。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 蒸汽疏水阀已应用于超临界、超超临界核电站，核电站高温高压下的过热蒸汽疏水阀的主要作用是排除过热度达不到要求的过热或饱和蒸汽，过热蒸汽疏水阀内流体介质的流动是典型的高速湍流流动，诱发流体激振，同时产生强烈的噪声。通过时均模拟与大涡模拟研究找出产生振动和噪声的流场诱因。结合噪声产生机理及节流降压原理，研究设计了低振动低噪声蒸汽疏水阀的节流降压消声器，消声器的消声量与理论计算符合，各参数满足实用要求。
科学性、先进性
- 1、贴近实际，热力过程参数高，课题研究具有先进性和新颖性 蒸汽疏水阀作为蒸汽系统重要的自力式控制类阀门得到广泛的应用。随着产业规模的扩大已广泛应用于高温、高压、超大排量等高参数的超临界及超超临界场合。但目前国内外在此方面的研究不够深入，仅限于对管道进行的削振减噪研究，在蒸汽疏水阀阀体内部结构上进行消声减振的主动优化设计的研究目前还不多见。 2、基础理论研究具有科学性和新颖性 蒸汽疏水阀作为蒸汽系统节能的重要部件，国内外在该系统消声减振领域的研究仍然是在静力学基础上的静态分析，无法满足高参数的要求。本课题把蒸汽疏水阀与蒸汽管道作为系统来考虑，通过动力学的湍流运动的基本方程和CDF数值方法对复杂结构的蒸汽疏水阀的流道进行简化与进行数值模拟，为蒸汽疏水阀消声减振研究提供了可靠、新颖的理论研究。 3、消声器结构优化设计新颖 依据高温高压过热蒸汽通过蒸汽疏水阀所产生的与振动和噪声，通过对高温高压过热蒸汽疏水阀流体激振特性的分析，选择了新颖的低噪声蒸汽疏水阀的节流降压消声器。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 现所品所处阶段为中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 作品可展示的形式以图纸的形式进行展示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 蒸汽疏水阀内部的流道具有典型的节流特征，在其启闭瞬间介质的流态是典型的高速湍流，若在设计过程中对流体诱发振动和噪声问题没有经过充分考虑，有可能导致结构设计不可靠，使用寿命降低，造成巨大经济损失。传统蒸汽疏水阀介质参数较低，流体诱发振动和噪声问题很少出现。随着工业规模扩大和高强度材料的使用，阀体结构变得较薄，更容易诱发振动；同时工业生产要求疏水阀部件间流动的流体介质参数趋向于高温、高压、超大排量等高参数，这更是导致振动的原因。因此，流体诱发振动问题受到普遍关注，但在国内外这方面的研究还不够丰富，可见，深入和系统地研究这一问题对满足当前工业生产、市场需求及高效低耗有重要的意义。
同类课题研究水平概述
- 由于能源问题的日益突出和工业规模的扩大，蒸汽疏水阀向高效、高温、高压，大排量的方向发展。国内外基础研究严重缺乏，研究机构少，因此造成该领域资料极少，仍在静力学研究的基础上。但通过静力学的研究已无法满足高参数、大排量的要求，而且这方面的研究还没有完全开展。通过本课题用数值模拟方法对过热蒸汽疏水阀内的流场分析及噪声的分析，根据生产实际运行状况研制出控制疏水阀噪声的节流降压消声器，有助于提升国内蒸汽疏水阀在高参数下运行的高效性与可靠性。直到上世纪50年代，由于控制阀噪声引起的事故缕缕被报道，才引起了阀门制造商和相关部门的极大关注。流体在阀门内部的流动是非常复杂的，在上世纪50年代这一领域仍然没有大的研究结果。1955年，IEC（国际电工委员会）起草了一个关于理想气体的控制阀预测气动噪声的标准70年代到90年代噪声控制技术逐步成熟，目前国外常用的噪声控制技术有隔声、隔振、消声、吸声阻尼等，主要是在声源、声场传播途径及接受点上进行控制和解决。中国声学科学家马大猷院士等人对高压阻塞喷注的湍流噪声及阻塞喷注的冲击噪声进行了深入研究，利用消声器的原理在控制阀出口处给阀门集成消音器件，并得到了一些关于声压级的经验公式，得到了低压时使用的小孔消声器在高压下仍然有效的结论，可以方便处理和降低阀门噪声，同时也得到了冲击噪声是阻塞喷注噪声的主要部分的结论。卞兆双在《热电厂锅炉排汽噪声治理研究》中通过对排汽噪声特征的分析以及消声效果试验，优先设计出一种效果良好的消声器——节流降压、小孔喷注复合消声器，降噪量30dB(A)左右。周敬宣等在《多级降压消声器结构的优化设计研究》中根据多级降压消声器的结构特点及其工程设计理论以消声器各级几何参数为边界条件，建立目标函数和约束条件，利用复合形优化算法，对之建立了优化设计的数学模，并利用此方法对多级降压消声器的结构尺寸进行优化设计。在国内消声器的研究较少，因此国内消声器的研究和蒸汽疏水阀消声减振研究均有待进一步完善。
