基于物联网的超大口径液控蝶阀设计及动水力矩特性研究

发布时间：2017-08-02 06:15

  本文关键词：基于物联网的超大口径液控蝶阀设计及动水力矩特性研究

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【摘要】：水力发电作为重要的绿色能源,在全世界得到广泛应用。水轮发电机组作为其能源转换的主体,一般配套有进水阀作为其重要的安全辅助设备,蝶阀是其中一种重要的进水阀结构形式。本文研究内容及创新点主要体现在以下方面:(1)通过对水电站系统的结构及组成进行概述,阐述了水轮机进水蝶阀的组成和工况;对于超大口径蝶阀作为水轮机进水阀的发展趋势及存在的问题进行探讨。(2)以DN5300超大口径液控蝶阀为研究对象,设计超大口径液控蝶阀的整体方案,确定合适的结构设计方案,即双偏心桁架过流式蝶阀,并配有重锤关阀。(3)建立三维分析模型,对阀体和蝶板进行有限元分析,得到DN5300蝶板和阀体的设计结构尺寸;通过蝶板的模态分析以及卡门涡街频率的计算,得到了蝶板的修型方案,有效的避免了共振导致的结构破坏问题;上述设计方法通过厂内压力试验和现场工况试验,验证了计算模型的可靠性。(4)建立CFD分析模型,得到双偏心桁架过流式蝶阀在不同开度的阻力系数、动水力矩系数、动水力系数;并与设计手册中相同迎水面积的菱形蝶阀对应系数进行对比,得出两者的异同。通过水电站现场的工况实验,验证了本文所用设计方案和CFD分析方法是正确,证明该方法具有工程实用价值。(5)研究动水关阀阻尼油压的计算方法,通过现场的动水实验可知CFD仿真所得到的固有特性数据计算出的阻尼油压,与实验测试的油缸油压进行对比,其变化趋势一致,两者误差在工程设计可接受的范围内;对实验结果与CFD仿真数据的差异,给出了提高精度的措施。由工地现场试压验证了CFD仿真模型的正确性,其分析取得的动水力系数、动水力矩系数、阻力系数是准确可靠的,具有工程实用价值。(6)对进水阀设计了物联网模块,通过物联网模块提供的监测数据,提取了其启闭过程的相关数据,可得到产品在实际运行中的动水力矩等数据,为新产品的优化设计提供数据支撑。由此,我们得出进水阀产品设计流程的全新模式,即:阀门有限元设计?已有产品工况实测?基于物联网的数据提取与分析?新产品仿真优化?新产品工况实测。通过上述流程的循环优化迭代,加速了产品的优化创新过程;由于该过程可以省去物理模型的生产制造,流体试验台的实测过程,提高了研发速度和降低了研发成本。基于物联网智能阀门控制系统,通过云计算服务取得阀门的运行数据,通过数据分析为运行维护、故障报警及诊断提供了依据。通过本文的设计新方法,可大幅度节约成本,提高研发设计的产品性能,具有深刻的现实指导意义和广阔的工程应用前景。
【关键词】：超大口径蝶阀 动水力系数 动水力矩系数 阻力系数 CFD 物联网IOT
【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】：TM312;TH134
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 国内外现状综述13-15
• 1.2.1 国内发展情况13-14
• 1.2.2 国外研究现状综述14-15
• 1.3 项目的理论及实际意义15-16
• 1.4 课题来源与研究内容16
• 1.5 本章小结16-17
• 第2章 水电站及进水阀系统概况17-22
• 2.1 水电站简介及进水阀系统的作用17-18
• 2.2 水电站进水阀结构及选型适用范围18
• 2.3 水轮机进水蝶阀系统组成及原理18-20
• 2.3.1 水轮机进水蝶阀系统的组成18-19
• 2.3.2 水轮机进水蝶阀（又称液控蝶阀）的组成及工作原理19
• 2.3.3 水轮机进水蝶阀主体结构19-20
• 2.4 水轮机进水蝶阀的发展趋势及存在的问题20-21
• 2.4.1 水轮机进水蝶阀发展趋势20-21
• 2.4.2 水轮机进水蝶阀存在的问题21
• 2.5 本章小结21-22
• 第3章 蝶阀设计22-40
• 3.1 整体结构方案的设计22-23
• 3.2 阀门力矩的计算23-26
• 3.3 阀体结构26
• 3.4 蝶板结构26-27
• 3.5 有限元分析法基本理论27-29
• 3.5.1 理论概述27-28
• 3.5.2 有限元法的分析过程及求解步骤28-29
• 3.6 基于有限元法的结构设计29-32
• 3.6.1 阀体及蝶板的三维建模29-30
• 3.6.2 阀体强度试验工况30-31
• 3.6.3 蝶板强度试验工况31-32
• 3.7 蝶板振动特性分析32-37
• 3.7.1 蝶板固有频率的有限元分析32
• 3.7.2 蝶板固有频率结果32-35
• 3.7.3 蝶板扰动频率计算35-37
• 3.7.4 蝶板型线的设计及修型结论37
• 3.8 蝶板动水力矩的计算37-39
• 3.8.1 DN5300蝶阀动水作用力及动水力矩的计算37-38
• 3.8.2 蝶板等效比值的换算38-39
• 3.9 本章小结39-40
• 第4章 蝶阀动水力矩分析40-47
• 4.1 计算流体动力学概述40-41
• 4.2 控制方程41
• 4.3 CFD仿真分析41-43
• 4.3.1 网格模型42
• 4.3.2 求解控制参数42-43
• 4.3.3 边界条件43
• 4.4 分析数据结果43
• 4.5 蝶阀固有特性系数43-44
• 4.5.1 流阻系数 ζ43-44
• 4.5.2 动水力系数 λ(α)及动水力矩系数 μ(α)44
• 4.6 桁架过流式蝶阀固有特性系数的换算44-46
• 4.7 本章小结46-47
• 第5章 动水力矩现场实验及分析47-58
• 5.1 实验过程47-49
• 5.1.1 实验工况水力条件47
• 5.1.2 试验目的47
• 5.1.3 被测试蝶阀基本参数47-48
• 5.1.4 试验方案48-49
• 5.2 实验数据及分析49-51
• 5.2.1 静水开阀过程分析49-50
• 5.2.2 蝶阀动水关阀过程分析50-51
• 5.3 测试数据整理与分析51-55
• 5.3.1 静水开阀工况蝶阀力矩分析51-52
• 5.3.2 动水关阀工况蝶阀力矩对比分析52-55
• 5.4 误差分析55-56
• 5.5 提高超大口径蝶阀固有特性系数试验精度的措施56-57
• 5.6 本章小结57-58
• 第6章 物联网智能阀门控制系统58-63
• 6.1 引言58
• 6.2 物联网阀门控制系统基本原理58-59
• 6.3 智能阀门控制系统简介59
• 6.4 系统组成59-60
• 6.5 现场运行采集的数据60-61
• 6.6 本章小结61-63
• 结论63-65
• 参考文献65-68
• 致谢68-69
• 附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）69

【参考文献】

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本文编号：607964