高温高压球阀的热力耦合分析与研究

发布时间：2017-05-19 07:16

  本文关键词：高温高压球阀的热力耦合分析与研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：火力发电系统的多数设备长期处于高温高压的苛刻工况,阀门作为电站系统的辅助设备之一,在工作过程中不仅要承受很高的压力与温度,而且还会受到高速流动介质冲刷与腐蚀,因此电站阀门的性能要求非常高。本文针对中国环球阀门有限公司生产的高温高压球阀,对其建立了有限元模型,由温压等级表换算得到所设计的球阀在实际工况下对应的温度与压力,基于傅里叶导热微分方程对实际工况下的传热过程进行了计算,对高温高压球阀在备用工况和操作工况下的温度场进行了求解;借助于有限元分析软件对球阀装配体在介质压力作用下所产生的等效应力与其在热力耦合场作用下的等效应力做了具体的分析,并对阀芯在不同开度下的磨损情况做了分析,得到的结论对电站球阀的设计有一定的指导意义。(1)对球阀做了具体的受力分析,计算阀门密封面上的作用力与阀门的密封比压,并对主要承载部件的强度进行校核。(2)对球阀在备用工况和操作工况下的温度场求解,将所得到的温度场作为载荷施加到球阀结构上,对其进行热力耦合分析,得到球阀在热力耦合作用下的等效应力;对球阀在只受介质压力作用下进行静态结构分析,将所得到的应力场与热力耦合作用下的应力场进行比较,得出热应力与压应力之间有一定的抵消作用;迭代求解温度与最大等效应力的四阶样条插值函数,得到了温度场与应力场相互影响的临界条件。(3)在热力耦合场的作用下尽管等效应力有所减小,但应变反而比以前大了,为了保证阀门有好的密封性,对应变最大的球体结构尺寸进行目标驱动优化设计,优化后的结构在耦合场作用下的应变量变小了很多,改善了阀门的密封性能。(4)球体外镀层不仅可以提高球体硬度、改善表面粗糙度的作用,本文对镀层与球体分别建模,进行装配分析,得到镀层的厚度对其结构强度的影响关系曲线,找出了在实际工况下求体外镀层的最佳厚度。(5)球阀在操作的过程中,阀芯开度的不同会影响介质的流速进而影响到壁面的磨损速率,通过对阀芯不同开度下壁面磨损速率及内部介质流速的模拟计算,得出随着阀芯开度的不断增大,壁面磨损速率和介质流速相继减小,壁面磨损区域位置也会发生变化,磨损面形状由开始的带状变为最后的点状和块状。
【关键词】：密封比压 热力耦合 结构强度 参数优化 镀层厚度 磨损
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH134
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-14
• 第1章 绪论14-21
• 1.1 课题的背景与意义14-16
• 1.2 国内外球阀发展现状和趋势16-20
• 1.2.1 国内球阀发展现状和趋势16-18
• 1.2.2 国外球阀发展现状和趋势18-20
• 1.3 课题研究的主要内容和方法20
• 1.4 小结20-21
• 第2章 高温高压球阀的总体结构方案设计及受力分析21-31
• 2.1 总体方案确定21-24
• 2.1.1 球阀几何结构21-23
• 2.1.2 结构参数计算23-24
• 2.2 球阀工作力学特性分析与计算24-29
• 2.2.1 螺旋弹簧预紧力计算24-25
• 2.2.2 密封面上的总作用力和密封比压计算25-26
• 2.2.3 连接法兰受力计算26-27
• 2.2.4 阀杆总转矩计算27-29
• 2.3 球阀结构强度计算29-30
• 2.3.1 阀杆强度校核29
• 2.3.2 止推轴承强度校核29-30
• 2.4 小结30-31
• 第3章 球阀有限元模型与热力耦合分析31-48
• 3.1 球阀有限元模型31-32
• 3.2 球阀应力场求解32-36
• 3.2.1 装配体受力分析32-33
• 3.2.2 有限元模型加载及应力场求解33-36
• 3.3 球阀温度场的求解36-42
• 3.3.1 温度场计算基础36-38
• 3.3.2 外部空气自然对流换热系数的计算38-40
• 3.3.3 内部介质强制对流换热系数的计算40-41
• 3.3.4 有限元模型加载及温度场求解41-42
• 3.4 球阀热力耦合场的有限元仿真42-45
• 3.4.1 热应力的产生42
• 3.4.2 热力耦合场分析概述42-43
• 3.4.3 热力耦合场的有限元分析与计算43-45
• 3.5 耦合边界条件的计算45-47
• 3.6 小结47-48
• 第4章 固定式球阀球体结构尺寸参数的改进48-54
• 4.1 耦合应力作用下球体应变的分析与计算48
• 4.2 球体结构参数化建模48-49
• 4.3 基于ANSYS Workbench对球体结构尺寸进行最优化求解49-52
• 4.4 优化结果检验52-53
• 4.5 小结53-54
• 第5章 外镀层厚度对球体结构强度与刚度的影响分析54-62
• 5.1 球体外镀层材料（stellite12）属性54-55
• 5.2 球体与外镀层有限元模型的建立55-57
• 5.2.1 前提及假设55-56
• 5.2.2 三维有限元模型的建立56
• 5.2.3 添加约束条件及载荷56-57
• 5.3 基于ANSYS Workbench的有限元分析57-61
• 5.3.1 球体镀层厚度对球体结构强度的影响57-59
• 5.3.2 镀层厚度对球体刚度的影响59-61
• 5.4 小结61-62
• 第6章 阀芯不同开度下球体磨损性能分析62-69
• 6.1 球阀磨损概述62
• 6.2 不同开度球阀流道模型建立及边界条件的确定62-64
• 6.2.1 建立不同开度阀芯与流道模型62-63
• 6.2.2 确定模拟条件与边界条件63-64
• 6.3 建立数学模型64-65
• 6.4 不同开度下球体磨损性能分析65-68
• 6.5 小结68-69
• 结论与展望69-71
• 结论69-70
• 展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 附录A 攻读学位期间发表的科研成果目录76-77
• 附录B 球体结构参数优化部分数据77-80

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 袁念祥;气动缓开快关球阀[J];阀门;2001年01期

2 林瑞义,张成平;球阀的改进设计[J];阀门;2003年06期

3 张玉宏;刘丽秋;高玉明;汪磊;;浅谈四通球阀的常见故障及维护[J];化工自动化及仪表;2005年06期

4 ;国内最大两体结构水电球阀成功下线[J];机械;2009年11期

5 ;美卓推出极具成本效益的V型球阀[J];造纸信息;2011年07期

6 郭国领;刘伸展;史岩;;高压球阀的结构设计[J];现代物业(上旬刊);2012年07期

7 张海江;何开周;;毛尔盖水电站进水球阀几个关键技术问题的处理[J];四川水力发电;2013年03期

8 金德林;真空球阀[J];真空技术报导;1972年01期

9 章嘉炎;;气-液联动大口径球阀试制成功[J];化工与通用机械;1975年11期

10 王新权;国外小型球阀的特点分析[J];机械开发;1988年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 陈明奎;;浅谈球阀强度设计计算[A];首届珠中江科协论坛论文集[C];2011年

2 贾臻;王会;龚自力;;核级球阀的力学分析[A];中国核科学技术进展报告（第二卷）——中国核学会2011年学术年会论文集第3册（核能动力分卷（下））[C];2011年

3 祝晓丹;王国富;廉立伟;胡伟;王瑞英;;浅谈水下球阀的选用[A];2012年度海洋工程学术会议论文集[C];2012年

4 尹襄;;大型焊接球阀制造工艺研究[A];第十九次中国水电设备学术讨论会论文集[C];2013年

5 高泽普;张成旺;史红军;;不锈钢球阀密封结构探讨[A];机床与液压学术研讨会论文集[C];2004年

6 高泽普;张成旺;史红军;;不锈钢球阀密封结构探讨[A];第三届全国流体传动及控制工程学术会议论文集（第二卷）[C];2004年

7 陈清华;;炼铁喷煤球阀的国产化改造实践[A];2012年河北省炼铁技术暨学术年会论文集[C];2012年

8 赵志荣;;球阀软密封结构分析及在10-08阀上的改制[A];上海烟草系统2006年度优秀学术论文集[C];2006年

9 陆培文;;全焊接长输管线球阀的设计[A];2011年首届阀门技术研讨会资料汇编[C];2011年

10 刘涛;王春光;;活塞式挤奶机球阀脉动器性能测试[A];中国奶业协会年会论文集2009（上册）[C];2009年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 记者　谭丽莎;民企球阀进入西气东输工程[N];中华工商时报;2006年

2 盛根林;自贡高阀造出国内最大两体结构水电球阀[N];中国工业报;2009年

3 记者 郭树勋　通讯员 苏金亭;“农民专家”研制新型球阀获专利[N];焦作日报;2010年

4 记者 陈功章;国内最大高压球阀样机在兰州石化制造成功[N];甘肃经济日报;2009年

5 汪志;大口径油气高压球阀实现国产化[N];中国化工报;2009年

6 杨世智　罗显琦;大口径高压球阀研制成功[N];中国矿业报;2009年

7 记者 刘和平　通讯员 金良和;杭钢炼铁厂QC攻关一举多得[N];中国冶金报;2011年

8 记者 杨世智 通讯员 罗显琦;国内最大口径高压球阀研制成功[N];甘肃日报;2009年

9 本报记者 冯济武;沃茨长阀成功进入球阀领域[N];中国工业报;2008年

10 特约记者 陈明宇;大口径高压球阀国产化取得成功[N];石油管道报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 刘汇源;硬密封高温耐磨球阀关键技术研究[D];浙江大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王丽雅;球阀设计软件的开发[D];宁夏大学;2015年

2 蔡志波;安徽省屯溪高压阀门有限公司关系营销模式研究[D];电子科技大学;2013年

3 黎永发;深海沉积物取样器及其球阀关键技术的研究[D];浙江大学;2016年

4 汪玉凤;高温高压球阀启闭过程强度刚度及摩擦特性分析与研究[D];兰州理工大学;2016年

5 王虎斌;基于遗传算法的三通调节球阀节流盘型线优化研究[D];兰州理工大学;2016年

6 雷永强;高温高压球阀的热力耦合分析与研究[D];兰州理工大学;2016年

7 姚晓春;V形调节球阀的数值模拟及结构优化[D];兰州理工大学;2009年

8 刘志香;球阀的动态特性分析与应用[D];山东大学;2007年

9 彭斌;压电激振球阀的优化及流量控制研究[D];南京理工大学;2011年

10 叶昌楠;液路截止球阀低温密封性能分析与改进设计[D];国防科学技术大学;2012年

  本文关键词：高温高压球阀的热力耦合分析与研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：378051