弹簧刚度对安全阀喘振的影响研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海交通大学机械与动力工程学院 作者:陆佳祺

  稳压器弹簧式阀瓣在启闭过程中可能发生喘振现象,对阀门的安全性和疲劳寿命产生很大的影响。利用流场分析得到的流体介质作用力作为边界条件,通过数值计算,揭示了喘振的作用规律以及弹簧刚度对喘振的影响,确定了避免喘振发生的弹簧刚度。

  1、概述

  安全阀广泛用于核电站压力容器和压力管路系统中,目前最常用的是弹簧直接载荷式安全阀。其原理是阀瓣在弹簧力的作用下与阀座形成密封,当阀瓣下方的内部流体压力产生的升力超过阀瓣上方的弹簧力时,阀瓣自动开启,排气泄压。然而在排气过程中,弹簧力和流体力大小均与阀瓣位置有关。其中,弹簧力、流体阻力和阀瓣惯性力分别是阀瓣位移及其时间一阶导数和二阶导数的函数,阀瓣的瞬态受力是非线性的。这些相互耦合的因素,会存在不同的空间与时间响应,从而造成阀瓣受力、速度和位移具有明显的瞬态特征,在一定情况下阀瓣会产生往复运动,从而导致排气的不稳定和机械的振动,形成“喘振”。喘振会对安全阀的安全性造成很大的影响。本文研究通过流场计算得出流体力与阀瓣开度的关系,并以此作为边界条件分析了安全阀的喘振规律,并研究了影响安全阀喘振的因素及减小喘振的方法。

  2、数值分析方法及原理

  稳压器弹簧式安全阀喘振的发生与蒸汽排放时整个管路系统(图1) 流体介质的瞬态过程相关。

弹簧刚度对安全阀喘振的影响研究

图1 稳压器安全阀喘振分析管路

  管内流体介质沿着流动方向( l 方向) 的非恒定流运动方程为

弹簧刚度对安全阀喘振的影响研究

  3、结语

  通过对某型号稳压器安全阀的流场分析和数值计算,确定了安全阀开启压力为17.6MPa,背压为3.43MPa,弹簧刚度为1.62 ×106N/m 的工况下,弹簧刚度较大,安全阀会出现喘振,阀瓣出现打开、关闭的交替动作,安全阀进出口压差、蒸汽排量出现大幅波动。当降低弹簧刚度至6 ×105N /m,但维持原有的预紧力时,喘振现象逐渐减弱,阀瓣最后趋于稳定开度,但仍无法克服弹簧力而未达到全开。进一步降低弹簧刚度至4 ×105N/m 时,阀瓣能够达到全开,喘振现象消失。由此可见,弹簧刚度对喘振的发生影响很大,选取合适的弹簧刚度,可以防止喘振发生。

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