600MW超临界汽轮机再热主汽阀门动力学建模与虚拟样机研究

论文摘要

汽轮机再热主汽阀门是汽轮机组的重要辅机部件,对于汽轮机组的正常运行和安全生产具有重要意义。600MW超临界汽轮机组的中压缸再热主汽阀门采用的是一种非平衡式摇板结构,主要依靠阀杆在衬套中的旋转运动来实现阀门的启闭,具有装配精度要求高等特点。工程中多反映出的问题是阀门受工作介质等多种因素的影响,存在阀门定期性能试验或实际运行时不能快速打开或快速关闭,即阀门卡涩问题。因此,本文针对影响阀门运行的各种因素展开了系统全面的分析,并确认阀门卡涩在本质上表现为一种间隙机构动态性能受多因素影响不再满足其设计性能要求,即属于一种间隙机构的运动/动力学特性分析问题。论文从多种因素对再热主汽阀门间隙机构动态行为影响的角度出发,在国内外相关研究的基础上对再热主汽阀门工况下的动态行为和动力学性能进行了一系列仿真分析和理论研究,主要内容包括:1.汽轮机再热主汽阀门的虚拟样机分析方法研究结合再热主汽阀门的结构配置和运行环境,针对多种因素对阀门动态行为的影响,提出了一种对工况下的再热主汽阀门进行全面系统分析的多学科联合仿真的虚拟样机分析方法并给出了具体实现框架,对论文以后的分析与研究奠定了基础。2.再热主汽阀门的流体动力扭矩特性及其对阀门动力学性能的影响分析基于流体动力学理论并采用计算流体动力学分析方法对工况下再热主汽阀门内部的再热蒸汽流体的流动行为进行分析,得到工况下阀门内部再热蒸汽流体流动对再热主汽阀门运行的影响特性,即再热主汽阀门的流体动力扭矩特性。同时对再热主汽阀门流体动力扭矩特性对阀门动力学性能的影响进行分析。3.再热主汽阀门的热胀行为及其对阀门动力学性能的影响分析针对影响再热主汽阀门动态行为的再热蒸汽的高温载荷,采用有限元分析方法对再热蒸汽高温载荷所引起的阀门热胀行为进行了热-结构耦合分析,建立工况下阀门受热载荷影响的阀杆轴向不等齐热胀及运动间隙变化模型,并进一步重点分析阀杆径向热胀对阀门动力学性能的影响。4.工况下阀杆与衬套间的相对运动和相互作用力模型研究基于接触动力学理论,考虑工况下阀门运行过程中的阀杆与衬套间的实际相对运动及其运动影响因素,建立能够有效描述该相对运动的径向轴承旋转间隙铰模型并利用非线性接触碰撞力模型和切向摩擦力模型对阀杆与衬套间的相互作用行为进行研究。5.再热主汽阀门的动力学建模及其动力学特性分析基于多体系统动力学理论,考虑旋转间隙铰影响,对再热主汽阀门进行了运动/动力学分析。推导并建立了再热主汽阀门运动/动力学模型并对再热主汽阀门在不同装配误差条件下的动力学特性进行了分析。6.再热主汽阀门的虚拟样机仿真分析模块开发以及虚拟样机建模与参数化分析为高保真度地对再热主汽阀门进行仿真分析,基于ADAMS软件平台开发了再热主汽阀门虚拟样机仿真分析模块并进行了参数化虚拟样机建模与分析,分析得到了更为合理的阀门运行关键设计参数。最后,结合仿真分析结果和理论研究结论,针对现有的设计/装配方案提出了具体改进措施,并通过实际工程方案对比验证了改进方案的有效性。电厂的实际分析报告表明:本论文的研究结论和改进措施同电厂实际分析结果基本一致,能够有效地说明工况下多种因素对再热主汽阀门的影响,同时也验证了论文研究的工程价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 课题来源及研究目的
• 1.1.2 研究背景
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 汽轮机再热主汽阀门的相关问题现状及阀门间隙机构描述
• 1.2.1 再热主汽阀门的制造/装配误差
• 1.2.2 再热主汽阀门的阀杆漏气
• 1.2.3 再热主汽阀门的间隙机构描述
• 1.3 国内外对机械系统动力学研究现状综述
• 1.3.1 多体系统动力学的萌芽
• 1.3.2 多体系统与计算机技术的应用
• 1.3.3 多体系统动力学建模与求解
• 1.3.4 多体系统运动学/动力学分析
• 1.3.5 含间隙多体机械系统（机构）动力学分析
• 1.3.6 含间隙多体机械系统（机构）的接触碰撞分析
• 1.3.7 多体机械系统的虚拟样机技术
• 1.4 论文的研究内容安排及目标
• 1.5 本章小结
• 第二章 汽轮机再热主汽阀门的虚拟样机分析方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 汽轮机再热主汽阀门间隙机构虚拟样机需求分析
• 2.2.1 多学科联合仿真与分析
• 2.2.2 模块化建模与集成
• 2.2.3 构件单元模型库与装配
• 2.2.4 数值算法的可靠性与效率
• 2.2.5 集成的交互式可视化分析环境
• 2.3 基于虚拟样机技术的汽轮机再热主汽阀门动态行为分析方法
• 2.3.1 再热主汽阀门动态行为的虚拟样机分析方法的闭环特性
• 2.3.2 阀门间隙机构动态行为的虚拟样机分析方法的有效性
• 2.3.3 阀门间隙机构动态行为虚拟样机分析中的阀门功能/性能评价
• 2.4 本章小结
• 第三章 汽轮机再热主汽阀门的流体动力扭矩分析
• 3.1 引言
• 3.2 计算流体动力学基本理论
• 3.2.1 控制方程描述
• 3.2.2 κ- ε湍流模型
• 3.2.3 数值求解方法
• 3.3 再热主汽阀门的计算流体域及网格模型
• 3.4 计算边界条件
• 3.4.1 VWO 工况下入口边界条件
• 3.4.2 VWO 工况下出口边界条件
• 3.4.3 非VWO 工况下入口边界条件
• 3.4.4 非VWO 工况下出口边界条件
• 3.4.5 固体边界条件
• 3.5 再热主汽阀门的阀内再热蒸汽流体流动CFD 分析
• 3.6 再热主汽阀门的流体动力扭矩特性及其影响分析
• 3.6.1 再热主汽阀门的流体动力扭矩特性
• 3.6.2 再热主汽阀门流体动力扭矩对阀门动态性能的影响分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 汽轮机再热主汽阀门的热胀分析
• 4.1 引言
• 4.2 再热主汽阀门热胀分析的问题定义及基本理论
• 4.2.1 非线性瞬态/稳态热分析
• 4.2.2 静态热结构（应力）分析
• 4.2.3 动态热接触分析
• 4.3 再热主汽阀门的热-结构配置及其模型简化
• 4.3.1 再热主汽阀门的热-结构配置
• 4.3.2 再热主汽阀门的几何建模
• 4.4 再热主汽阀门的分析模型假设与边界条件
• 4.4.1 分析模型假设
• 4.4.2 初始和边界分析条件
• 4.4.3 材料特性条件
• 4.5 再热主汽阀门阀杆的热胀分析结果与讨论
• 4.5.1 再热主汽阀门的瞬态热胀分析
• 4.5.2 再热主汽阀门的稳态热胀分析
• 4.5.3 讨论
• 4.6 再热主汽阀门的热胀模型及其工程验证
• 4.6.1 再热主汽阀门的热胀模型
• 4.6.2 工程验证
• 4.7 本章小结
• 第五章 汽轮机再热主汽阀门的动力学建模与分析
• 5.1 引言
• 5.2 工况下汽轮机再热主汽阀门间隙机构配置
• 5.3 再热主汽阀门的径向轴承旋转间隙铰建模
• 5.3.1 间隙矢量模型
• 5.3.2 旋转间隙铰的运动学分析
• 5.3.3 旋转间隙铰的法向接触力模型
• 5.3.4 旋转间隙铰的切向摩擦力模型
• 5.4 旋转间隙铰内碰撞接触判断与数值算法分析
• 5.5 再热主汽阀门间隙机构动力学建模
• 5.5.1 再热主汽阀门间隙机构动力学建模方法-拉格朗日乘子法
• 5.5.2 再热主汽阀门间隙机构运动学模型
• 5.5.3 再热主汽阀门间隙机构动力学模型
• 5.6 再热主汽阀门间隙机构动力学分析的数值算法与结果讨论
• 5.6.1 数值求解算法分析
• 5.6.2 动力学数值分析与虚拟样机仿分析结果对比验证
• 5.7 本章小结
• 第六章 汽轮机再热主汽阀门的虚拟样机仿真分析
• 6.1 引言
• 6.2 基于ADAMS 的再热主汽阀门虚拟样机分析模块
• 6.2.1 再热主汽阀门的虚拟样机建模
• 6.2.2 再热主汽阀门虚拟样机关键功能模块实现
• 6.3 再热主汽阀门的动态行为分析
• 6.4 汽轮机再热主汽阀门的参数化分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文研究结论
• 7.2 论文创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 附录1 符号说明
• 附录2 上海汽轮机有限公司600MW 超临界汽轮机（191 机组）再热蒸汽阀门CV值计算报告
• 附录3 国华太电#7 机组2 号中压汽门卡涩分析报告
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢