專利名稱：高壓調節(jié)閥和調節(jié)高壓流體的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高壓調節(jié)閥，尤其是一種電站汽輪機高壓調節(jié)閥。本發(fā)明還涉及一種調節(jié)高壓流體的方法，尤其是調節(jié)高溫、高壓、高速流動的氣體的方法。
背景技術：
汽輪機是火力發(fā)電站和核電站中的關鍵能源動力設備，高壓主汽閥、高壓調節(jié)閥或高壓主汽調節(jié)聯(lián)合閥是電站汽輪機的重要通流設備，其中高壓調節(jié)閥是最重要的能量輸入調節(jié)和控制設備。來自鍋爐或核反應堆的高溫高壓蒸汽，在進入汽輪機膨脹做功之前，首先經(jīng)過高壓主汽閥，然后進入高壓調節(jié)閥，在高壓調節(jié)閥的調節(jié)與控制之下，按照設定的壓力、溫度和流量進入汽輪機，通過在汽輪機各級動、靜葉輪構成的汽流通道內逐級膨脹做功，高溫高壓蒸汽所含的巨大的熱能，由汽輪機轉化成轉子的旋轉機械能，再由發(fā)電機將機械能轉換為巨大的電能輸出。高壓調節(jié)閥位于高溫高壓蒸汽流動路徑的咽喉要道，承擔著非常重要的功能和職責。一方面，高壓調節(jié)閥的開啟程度經(jīng)常處于變動狀態(tài)，利用在不同開啟程度時產(chǎn)生的絕熱節(jié)流阻力效應，不斷調節(jié)高溫高壓蒸汽的進汽參數(shù)，進汽參數(shù)主要包括壓力(P》、溫度U1) 和最大設計質量流量(Gmax)。另一方面，高壓調節(jié)閥在緊急事故狀態(tài)下具備快速關閉功能， 與高壓主汽閥一起承擔雙重安全保護責任。高壓調節(jié)閥的調節(jié)功能主要是保證汽輪機按需要實現(xiàn)啟動、升速、穩(wěn)定運轉、降速或停機?？焖訇P閉功能主要是保證在事故狀態(tài)下汽輪機不超速、不損壞，順利停機檢修。由此可見高壓調節(jié)閥在長期連續(xù)高溫高壓運行工況下，必須隨時處于靈活、完好、可控、可靠的狀態(tài)。在現(xiàn)有技術中，對于高壓調節(jié)閥的開啟程度，通常采用閥碟升程(H)、閥碟全開升程(Hk)和閥碟相對升程(H/Hk)等參數(shù)來定量描述，相對升程的百分數(shù)表達形式最常用，通常稱為閥碟開度K，即閥碟開度K= (H/Hk) X 100%，閥門開啟程度由小至大，由全關至全開，閥碟開度變化由零至100%。高壓調節(jié)閥單位時間內通過的高溫高壓蒸汽的總質量值， 通常用質量流量(G)、理論全開質量流量(Gk)和相對質量流量(G/Gk)來定量描述。通常高壓調節(jié)閥的理論全開質量流量必定大于最大設計質量流量Gmax。高壓調節(jié)閥閥碟開度與相對質量流量之間的函數(shù)關系，通常稱為閥門流量特性，依據(jù)閥門流量特性繪制的曲線稱為閥門流量特性曲線。在現(xiàn)有技術中，閥碟有時也稱為閥芯。電站汽輪機的高壓調節(jié)閥的流量特性屬于快開型，這種流量特性在開度較小時就有較大的流量，隨著開度的增大，流量很快就接近最大值，此后再增大開度，流量變化就很小了。高壓調節(jié)閥經(jīng)常會在很小開度下長時間工作，這種小開度大流量高流速的工作狀態(tài)， 對于高壓調節(jié)閥的流動穩(wěn)定性、結構抗振性和運行安全性都是非常不利的，在小開度大流量高流速高溫高壓蒸汽氣流沖擊和擾動下，高壓調節(jié)閥極易引發(fā)劇烈振動和強烈噪聲，長期作用的結果，往往是造成高壓調節(jié)閥通流部件和提升部件加速磨損甚至提前損壞，進而引發(fā)閥門卡澀、運動調節(jié)不暢、閥門卡死甚至閥桿斷裂等一系列事故，直接影響到汽輪機組的連續(xù)長期安全運行。根據(jù)流體力學和熱力學原理，高溫、高壓蒸汽屬于可壓縮流體范疇，其流動機理十分復雜，高壓調節(jié)閥產(chǎn)生劇烈振動的首要原因，是小開度狀態(tài)下的大流量高流速蒸汽氣流； 當閥碟開度在25%至35%區(qū)間時，通常氣流速度達到最大值，在高壓調節(jié)閥前后巨大壓差作用下，氣流速度可能會接近當?shù)匾羲偕踔脸羲?，由此產(chǎn)生的強大氣流擾動力作用于閥碟等通流部件受壓受沖擊表面上，繼而引發(fā)劇烈振動，同時伴有強烈的機械碰擦噪聲和氣動噪聲。高壓調節(jié)閥內各零部件發(fā)生劇烈振動時，振動的類型通?？煞譃闄M向振動、扭轉振動、軸向單向脈沖振動和軸向往復沖擊型振動，其中尤其以軸向往復沖擊型振動對高壓調節(jié)閥零部件損害最大，特別是閥桿最容易發(fā)生疲勞損傷甚至斷裂?，F(xiàn)有的電站汽輪機高壓調節(jié)閥，普遍流行的幾種防振或抗振結構技術方案和技術特征如下一、具有防振或消振功能的高壓調節(jié)閥通流部件，例如采用平底凹口形氣動造型閥碟，在諸多氣動造型的閥碟型線方案的相對比較中，平底凹口型閥碟的抗振或消振性能最好，但其閥門絕熱截流阻力損失也最大，對汽輪機組的發(fā)電效率有直接影響?，F(xiàn)有技術方案中常用的平底凹口形、平底盤形、半球形和帶導流尾錐形閥碟，抗振或消振性能依次變差，而絕熱節(jié)流阻力損失卻依次變小，不存在兩全其美的選擇。二、采用具有防振或消振功功能的高壓調節(jié)閥提升部件，例如采用盡量加粗的閥桿，閥桿加粗的不良后果是閥桿漏汽量加大，也會對汽輪機組發(fā)電效率有影響，而且往往高壓調節(jié)閥的內部結構空間不允許閥桿過于粗大。加粗閥桿的另一個不利后果是致使閥門快關機構中的組合彈簧尺寸過大，結構尺寸、重量和成本也大大增加。三、采用具有防振或消振功能的高壓調節(jié)閥通流運動部件一體化結構。例如目前大型亞臨界、超臨界和超超臨界汽輪機組，常采用平底凹口形閥碟與閥桿一體化結構，以求最大限度地實現(xiàn)防振或消振目的，這種一體化結構具有密封不嚴密的缺點，閥碟卸荷平衡孔無法避免漏氣現(xiàn)象，至今無法克服。此外，在本申請人的實用新型專利CN200420089110. 1中提出了通過改善閥殼造型來改善氣流流動的流場狀態(tài)來抑制振動的思想。該專利通過引用整體納入本文。盡管這種設置會對抑制振動的效果有所改善，但是仍希望提供高效的防振或消振效果的高壓調節(jié)閥。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能提供高效的防振或消振而又能盡量減小或避免上述提到的至少一些缺點的高壓調節(jié)閥和調節(jié)高壓流體的方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種高壓調節(jié)閥，包括閥殼、固定在閥殼中的閥座、 閥碟、與閥碟相聯(lián)接的閥桿和套設在閥碟外的閥碟導向套筒。所述閥碟在閥桿的驅動下可沿該閥碟導向套筒在閥碟落座于閥座上的閉合位置和對應于閥碟升程的最大值的全開升程之間上下運動，所述閥殼限定出高壓的閥前空間和低壓的閥后空間，所述閥前空間與所述閥后空間當所述閥碟位于該閉合位置時彼此隔絕且當離開所述閉合位置時彼此連通。高壓調節(jié)閥還包括具有初級加載機構和選擇性地與閥前空間連通的至少一個次級加載機構的分級加載機構，所述初級加載機構包括在所述閥碟導向套筒與所述閥碟之間形成的初級加載腔，其與閥前空間連通從而施加向下的初級載荷壓差力在閥碟上，所述至少一個次級加載機構各包括在所述閥碟導向套筒與所述閥碟之間形成的次級加載腔，其中，所述次級加載腔構造成當閥碟升程大于等于一個第一升程值時與閥前空間連通從而施加附加的向下的次級載荷壓差力在閥碟上。所述初級載荷壓差力和所述次級載荷壓差力之和為施加在閥碟上的總的氣動載荷壓差力。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述初級加載機構包括將所述閥前空間與該初級加載腔連通的初級加載腔通道和在所述閥碟中形成且限定出初級加載面積的初級加載凸臺，其中閥前空間和閥后空間之間的壓力差作用于該初級加載面積上形成所述初級載荷壓差力。有利地，次級加載機構還包括次級加載腔第一通道和在閥碟中形成且限定出次級加載面積的次級加載凸臺，其中該次級加載腔第一通道構造成當閥碟升程大于所述第一升程值時連通初級加載腔和次級加載腔。高壓調節(jié)閥優(yōu)選包括泄壓通道和通過該泄壓通道能與閥后空間連通的預啟閥腔。根據(jù)優(yōu)選的實施例，所述至少一個次級加載機構還包括次級加載腔第二通道，該次級加載腔第二通道構造成當閥碟升程小于一個第二升程值時連通所述次級加載腔和所述預啟閥腔且當閥碟升程大于等于所述第二升程值時隔絕所述次級加載腔和所述預啟閥腔。優(yōu)選地，所述第一升程值大于所述第二升程值。特別優(yōu)選地，所述第一升程值與所述第二升程值之比在1. 2-1. 5范圍和/或所述第二升程值與所述全開升程之比在0. 18-0. 21范圍。根據(jù)一優(yōu)選實施例，次級加載腔第一通道在靠近所述次級加載腔的端部處設置有朝該次級加載腔漸縮的帶第一錐度的第一錐面，該第一錐度在6° -12°的范圍。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，次級加載腔第二通道在靠近次級加載腔的端部處設置有朝該次級加載腔漸縮的帶第二錐度的第二錐面，該第二錐度在6° -12°的范圍。
優(yōu)選地，所述高壓調節(jié)閥是電站汽輪機的高壓調節(jié)閥。為此，本發(fā)明還提供了一種調節(jié)高壓流體的方法，其包括如下步驟在該高壓流體的流動路徑中設置高壓調節(jié)閥，其中該高壓調節(jié)閥具有包括閥殼、 固定在閥殼中的閥座、閥碟、與閥碟相聯(lián)接的閥桿和套設在閥碟外的閥碟導向套筒，其中， 所述閥碟在閥桿的驅動下可沿該閥碟導向套筒在閥碟落座于閥座上的閉合位置和對應于閥碟升程的最大值的全開升程之間上下運動；通過該高壓調節(jié)閥的閥殼在該流動路徑中限定出高壓的閥前空間和低壓的閥后空間，所述閥前空間與所述閥后空間當所述閥碟位于該閉合位置時彼此隔絕且當離開所述閉合位置時彼此連通；在所述高壓調節(jié)閥中設置具有初級加載機構和選擇性地與閥前空間連通的至少一個次級加載機構的分級加載機構，其中該初級加載機構包括與閥前空間連通的初級加載腔，所述至少一個次級加載機構包括選擇性地與閥前空間連通的次級加載腔；和調節(jié)閥碟的升程以調節(jié)流到閥后空間的高壓流體的壓力與流量，其中，在初級加載腔中形成施加到閥碟上的初級載荷壓差力，且當閥碟的升程大于等于一個第一升程值
6時，在次級加載腔中形成施加到閥碟上的次級載荷壓差力。所述初級載荷壓差力與次級載荷壓差力互相迭加共同作用于閥碟上，使閥碟與閥桿互相拉緊并互相約束，加強閥碟與閥桿的聯(lián)接剛度。優(yōu)選地，該高壓調節(jié)閥還包括泄壓通道和通過該泄壓通道能與閥后空間連通的預啟閥腔，其中，還包括在閥桿與閥碟的聯(lián)接中設置預啟升程的步驟，其中當閥桿在預啟升程中運動時，所述閥碟保持在閉合位置中，且該預啟閥腔通過該泄壓通道與閥后空間連通，以起到預啟閥泄放閥碟前后的巨大壓差，大幅度減小閥碟開啟提升力的作用。本發(fā)明的高壓調節(jié)閥防振、抗振、消振和抑振效果優(yōu)良，提高了其運行穩(wěn)定性和安全性，且適用于各類大、中、小型電站汽輪機，高溫高壓蒸汽參數(shù)等級涵蓋高壓、超高壓、亞臨界、超臨界和超超臨界，而且還可以適用于其他種類的高溫、高壓、高速流動氣體介質的參數(shù)調節(jié)與控制。


以下，結合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中圖1以剖面圖形式示出根據(jù)本發(fā)明的高壓調節(jié)閥的實施例；圖2示出了圖1中的J區(qū)域的局部放大圖；圖3示出了高壓調節(jié)閥閥門流量特性曲線；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的高壓調節(jié)閥各部件的壓比(壓力)與閥碟開度的關系曲線.
一入 ，圖5分別示出了根據(jù)本發(fā)明的高壓調節(jié)閥的初級、次級載荷壓差力及它們之和與閥碟開度的關系曲線；圖6示出總的氣動載荷壓差力F的最大值與閥桿直徑關系曲線。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明示出了高壓調節(jié)閥100，在此為電站汽輪機高壓調節(jié)閥。該高壓調節(jié)閥100包括一個閥殼110，該閥殼110具有一個進汽通道120和一個排汽通道130， 該閥殼110的下方固定一個閥座140，該閥殼110的上方回定有閥碟導向套筒150和閥蓋 180。閥碟導向套筒150內部有一個可以沿軸向上下滑動的閥碟160。閥碟160內部與閥桿170相聯(lián)接，閥桿170可以驅動閥碟160在該閥碟導向套筒150中上下滑動。閥碟160 與閥座140之間的相對位置，即決定高壓調節(jié)閥100的開啟程度，開啟程度由全關閉至全開啟可任意調節(jié)。其中，閥碟160落座在閥座140上時形成環(huán)形配合接觸線M，這限定出該閥碟160的閉合位置161。圖1還示意性地示出了全開位置163和一個中間位置為162。此夕卜，閥蓋180用于密封閥桿170，收集并導出閥桿170的漏汽。閥桿170上端與閥門操縱機構相聯(lián)接，操縱機構通常包括提升油缸和關閉彈簧，圖1中盡管未示出，本領域技術人員將明白，通常，該高壓調節(jié)閥始終設置有彈簧預緊壓縮關閉力作用在閥桿和/或閥碟上，從而例如在需要快關時能實現(xiàn)快關的功能，且這樣設置也有利于抑制振動。高壓調節(jié)閥100的閥殼110，可以是獨立的單一殼體，通過管道與其前方的高壓主汽閥或其它的高壓調節(jié)閥相連接，也可以與其前方的高壓主氣閥或其它的高壓調節(jié)閥直接相連構成聯(lián)合閥共用殼體。如圖1所示，所述閥殼(110)限定出高壓的閥前空間A和低壓的閥后空間％。本領域技術人員將明白閥前空間A與閥后空間％總體上是通過所述閥碟 160的閉合位置區(qū)分的，更具體地是通過閥座140上的環(huán)形配合接觸線M所界定的，在閥座上的配合接觸線M上游的空間屬于閥前空間兌，在其下游的屬于閥后空間％。如圖1所示， 該當所述閥碟160位于該閉合位置時，閥前空間A與閥后空間％彼此隔絕；且當離開所述閉合位置時彼此連通。優(yōu)選地，所述閥前空間A和閥后空間％都是耐壓腔室，這是因為在閥門全開啟狀態(tài)時，閥門的壓力損失很小，通常不超過10%，所以閥前空間和閥后空間均需要經(jīng)受高壓。本領域技術人員將明白，來自鍋爐的高溫高壓蒸汽在流經(jīng)高壓主汽閥后，首先沿第一流動方向121進入高壓調節(jié)閥進汽通道120，進汽通道120與閥前空間Gl1相通，蒸汽充滿閥前空間Q1，并包圍著閥碟導向套筒150和閥碟160，此時如果閥門處于開啟狀態(tài)，蒸汽將沿著第二流動方向122，穿過閥碟160與閥座140之間的間隙所形成的環(huán)形通道到達閥后空間％，并沿第三流體通道131流到下一部件(例如汽輪機)，該環(huán)形通道的通流面積在閥碟與閥座的配合接觸線M附近最為狹窄(理論上全關閉時為0)。在設計高壓調節(jié)閥時， 配合接觸線M的配合直徑Dm是已知參數(shù)，Dm系由閥門氣動熱力學設計時根據(jù)已知的蒸汽壓力P1、溫度、、最大質量流量Gmax和蒸汽比容ν確定。根據(jù)流體力學和熱力學原理，流經(jīng)該處的蒸汽將產(chǎn)生絕熱節(jié)流效應；如果閥碟160由閉合位置161向上朝全開位置163移動， 絕熱節(jié)流效應也隨之由強變弱，通過閥門的蒸汽流量也由小變大，每一個任意中間位置162 都會對應特定的絕熱節(jié)流效應和蒸汽流量，這就是高壓調節(jié)閥的工作原理和調節(jié)特性。在運行中，在閥桿170的驅動下，根據(jù)汽輪機組對運行參數(shù)的實時需要，該閥碟160被實時控制而處于某一固定或變動的位置中。閥殼110的閥前空間A內的蒸汽壓力稱為閥前壓力P1,閥后空間A內的蒸汽壓力稱為閥后壓力p2。閥后壓力P2與閥前壓力P1的差值形成閥門的壓差ΔΡ，ΔΡ = P1-P2jIS 汽在壓差ΔΡ的作用下流過閥門，壓差ΔΡ越大，蒸汽流速V越高，通過閥門的質量流量G 也越大。閥后壓力P2與閥前壓力P1的比值稱為壓比β，β = Ρ2/Ρ1;壓比在1至0之間變化。根據(jù)流體力學和熱力學原理，壓比β值大則壓差ΔP小，因而流速V和質量流量G小， 壓比β值減小則壓差ΔΡ增大，因而流速V和質量流量G增大，然而當壓比β由1減小到某一臨界值即臨界壓比β lls= 0. 546Pi時，蒸汽流速V達到最大值即臨界流速，臨界流速等于當?shù)匾羲?，蒸汽流速V達到臨界流速后，不再隨壓比β減小而增大，相應地質量流量G也不再增大。從而當閥前壓力P1為定值時，當閥后壓力P2 = β l|S · P1 = 0. 546Pi時，閥門通過的流速V和質量流量G均處于最大值。對于高壓調節(jié)閥100而言，當閥門壓比β接近或達到臨界壓比β l|S時，閥門內部蒸汽流動狀態(tài)最為復雜劇烈，閥門配合接觸線M附近的狹窄環(huán)形通道內，局部區(qū)域會接近或達到超音速流動，由此而產(chǎn)生的一系列惡劣影響因素，例如壓力脈動沖擊波、高速不穩(wěn)定噴射流、高強度漩渦流都會達到最劇烈狀態(tài)，這些惡劣影響因素直接作用于與蒸汽流體密切接觸的閥碟160、閥桿170、閥碟導向套筒150和閥座140等通流部件。強烈多變的脈動壓力和流體沖擊力會造成活動通流部件的劇烈振動，同時產(chǎn)生強烈的氣動噪聲、機械振動噪聲和機械碰擦噪聲，長期、連續(xù)、強烈作用的結果，將導致閥門內部零部件的加速磨損、力口速疲勞和提前斷裂失效損壞，造成事故停機。長期以來，對于如何降低、削弱、抑制和消除上述惡劣影響因素，確保閥門內部零部件的長期、連續(xù)、安全運行，一直是所追求的目標。
本發(fā)明的具體實施方式
在圖2中可以更清楚地予以描述。如圖2所示，高壓調節(jié)閥100的閥碟160在閉合位置161時，閥碟升程H等于0 ；當閥碟160到達全開位置163時， 閥碟升程H等于全開升程Hk，全開升程Hk是指閥碟在工作時向上運動的最大行程，通常約為閥門配合接觸線M的配合直徑Dm的30% 35%，即Hk = 0. 30-0. 35Dm。閥碟升程H對于本領域技術人員來說是已知的術語，其是指高壓調節(jié)閥工作時閥碟所處位置距離閉合位置的豎向間距，或者指閥碟160上的配合接觸線距離閥座140上的配合接觸線M的豎向間距 (即在閉合位置它們重疊配合時為0)。在該高壓調節(jié)閥100工作時，根據(jù)汽輪機的要求，閥碟160在閥桿170的驅動下可沿該閥碟導向套筒150在該閉合位置和全開開程Ηκ(即全開位置)的范圍上下運動。當閥碟160升程H在H = 0. 25-0. 35Hk區(qū)間時，也就是閥碟開度K =25% 35%時，閥門壓比β會接近或達到臨界壓比β lls，也就是說在這一較小開啟程度的區(qū)間內，閥門內部蒸汽流動處于最劇烈的變化、動蕩和擾動狀態(tài)，閥門通流零部件則處于最惡劣的工作環(huán)境，如何改善通流零部件的工作環(huán)境，并采取有效措施提高相關零部件的抗擾動、抗沖擊、抗振動能力，是本發(fā)明將要解決的首要問題。閥碟160和閥桿170都是最重要的閥門通流部件，承擔著關閉、開啟和調節(jié)等關鍵職能。閥碟160的一些部分直接與高溫高壓高速蒸汽相接觸，直接承受脈動壓力和流體沖擊力，一旦這些強大擾動力的變化頻率與閥碟160以及與之相接觸或相聯(lián)接的機械結構體系的固有頻率接近或重合，即會引發(fā)強烈共振。如圖2所示，閥碟160的形狀近似一個薄殼長圓筒，本身重量不大。在各種干擾力的作用下，閥碟會發(fā)生三種類型的受迫振動，即軸向振動、橫向振動和扭轉振動，這三種振動形式可能單獨發(fā)生，也可能同時發(fā)生構成復合振動；在三種振動形式中，尤以軸向往復沖擊型振動最為有害，除了會損傷閥碟160和閥桿 170等通流零部件，還會對蒸汽流量、壓力等參數(shù)產(chǎn)生擾動，影響汽輪機組穩(wěn)定運行。如圖2所示，閥碟160與閥桿170之間的聯(lián)接設置有預啟升程Hy，通常Hy = 3_8mm， 其作用為當要將閥碟160從閉合位置提升時先提升閥桿170 —個預啟升程Hy的距離，從而主要用以泄放閥碟160前后的巨大壓差，大幅度減小閥門開啟時的提升力。因此，閥碟160如果僅在重力作用下懸吊于閥桿170之下，其抵抗因軸向脈動壓力產(chǎn)生的軸向往復沖擊型振動的能力很差，其重量與脈動壓力干擾力相比微不足道，加上預啟升程Hy的存在，沒有足夠的外力約束閥碟160，缺乏連接剛度，從而極易發(fā)生軸向高頻率大幅度沖擊型振動，并對其自身及其他相關零部件產(chǎn)生巨大的雙向往復交變沖擊應力，造成相關配合面或零部件本體的疲勞損傷直至失效破壞。因此在本發(fā)明的高壓調節(jié)閥100中，希望在閥碟160上施加一個始終向下拉緊閥桿170的壓差力F，在附圖所示的實施例中為氣動載荷壓差力F。當氣動載荷壓差力F足夠大時，即可以有效地改善閥碟160和閥桿170組合體的聯(lián)接剛度，因而大大改善閥碟160和閥桿170組合體的抗振動特性，有效地抵抗脈動壓力和流體沖擊力，阻止閥碟160發(fā)生破壞力最大的軸向往復沖擊型振動。且在閥碟160的升程H不為0(即閥桿170的升程大于Hy) 的情況下，其與閥桿170始終處于拉緊狀態(tài)，閥碟升程H相對穩(wěn)定。而且在閥碟160不會在閥桿的預啟升程Hy內上下竄動時，也就不會對閥碟160造成高頻率大幅度的沖擊振動。這有利于蒸汽參數(shù)的連續(xù)穩(wěn)定，有利于汽輪機組的安全運行。如圖2所示，本發(fā)明的高壓調節(jié)閥100還包括具有初級加載機構的分級加載機構。 初級加載機構包括在閥碟導向套筒150與閥碟160之間限定出的初級加載腔A。初級加載腔A通過初級加載腔通道151始終與閥前空間％相通，從而初級加載腔A壓力Pa始終等于閥前壓力P:。此外，該初級加載腔限定出了閥碟160的初級加載腔直徑Da，其比配合直SDm 小，由此在閥碟160中形成了初級加載凸臺166。在閥門壓差ΔΡ = P1-P2的作用下，在該初級加載凸臺166中(即初級加載腔A的下表面)將會限定出環(huán)形的初級加載面積Aa，其大小為Aa=(D^- 〗)χπ/4，由此初級加載凸臺166并因而該閥碟160始終受到向下的初級載荷壓差力Fa，F(xiàn)a = APXAa = (P1-P2) XAa，F(xiàn)a與ΔΡ的大小成正比關系。在高壓調節(jié)閥100的閥碟160由閉合位置161逐漸開大到全開位置163的過程中，閥后壓力會P2迅速升高，閥門壓差△ P也迅速減小，相應地初級載荷壓差力Fa也會隨之迅速減小。當閥碟升程H進入危險區(qū)間，即H = 0. 25-0. 35ΗΚ，也就是閥碟開度K = 25% 35%時，也就是壓比β β l|S時，初級載荷壓差力Fa已減小了 50% 60%，防振、抗振、消振和抑振的作用明顯減弱。由此本發(fā)明還希望提供附加的機構以在上述危險區(qū)域仍能提供有效的抑制振動的效果。如圖2所示，該分級調節(jié)機構還包括次級加載機構。該次級加載機構包括在閥碟導向套筒150與閥碟160之間限定出的次級加載腔B作為對初級加載腔A的補充，尤其是當閥碟升程H進入或將要進入危險區(qū)間時，次級加載機構發(fā)揮作用，大幅度地彌補了初級載荷壓差力Fa的不足。該次級加載腔限定出了閥碟160的次級加載腔直徑Db，其比上述初級加載腔直徑Da小，由此在閥碟160中形成了次級加載凸臺169。如圖2所示，該閥碟的初級加載腔直徑Da的部分一直延伸到初級加載腔A之上從而在該初級加載腔A的上部在閥碟160和閥碟導向套筒150之間形成了次級加載腔第一通道152。此外，在該第一通道152靠近次級加載腔B的端部處形成了帶第一錐度α工的第一錐面164，其中所述第一錐度Ci1優(yōu)選在6° -12°的范圍內。繼續(xù)參考圖2，該高壓調節(jié)閥100還包括預啟閥腔C。在該閥碟160內設置有預啟閥腔泄壓孔167和預啟閥泄壓孔168。圖2中的閥桿170已被提升了一個預啟閥升程Hy，則預啟閥腔C通過預啟閥腔泄壓孔167和預啟閥泄壓孔168與閥后空間％連通，閥碟160前后的巨大壓差得以泄放，所需的開啟提升力大幅度減小。在圖2所示的實施例中，還包括次級加載腔第二通道153。該次級加載腔第二通道 153在靠近所述次級加載腔B的端部處設置有朝該次級加載腔B漸縮的帶第二錐度α 2的第二錐面165，其中所述第二錐度Ci2優(yōu)選在6° -12°的范圍。在次級加載腔B中的壓力Pb不是定值，會隨著閥碟升程H的增大而發(fā)生躍升式的增大。現(xiàn)以閥碟從閉合位置161到全開升程(即全開位置163)的向上提升運動為例，描述次級加載機構起作用的過程。當閥碟160處于閉合位置161時，次級加載腔B與初級加載腔A之間被閥碟160與閥碟導向套筒150之間的直徑配合所基本上密封，與此同時次級加載腔B上方次級加載腔第二通道153與預啟閥腔C以及閥后空間％連通，所以此時的次級加載腔B壓力Pb接近于閥后壓力P2,而這時的閥后壓力P2值很小，由此次級加載腔B壓力Pb也很小(本領域技術人員將明白，在閥碟160與閥碟導向套筒150之間除加載腔和通道位置處，基本上形成滑動配合間隙，因此當閥碟升程H小于第二升程值Η2時，由于次級加載腔B與預啟閥腔C通過第二通道153連通，因此初級加載腔A與次級加載腔B之間的滑動配合間隙所導致的泄漏基本上通過第二通道153被排到預啟閥腔C并從而排到閥后空間％，這些泄漏對次級加載腔B的壓力增加幾乎沒有影響，由此該滑動配合間隙相比于次級加載腔B與預啟閥腔C的連通來說被視作基本上密封的)；當閥碟升程H逐漸增大，當?shù)扔诨蚵源笥诘诙讨低轮?，次級加載腔B被閥碟160與閥碟導向套筒150之間的直徑配合(在此為次級加載腔直徑 Db)所基本上密封，即基本上不再與預啟閥腔C相通，而此時次級加載腔B壓力Pb會由于閥碟160與閥碟導向套筒150之間的滑動配合間隙中存在泄漏而逐步增大(本領域技術人員將明白，當次級加載腔B與初級加載腔A或預啟閥腔C之間均形成滑動配合間隙的情況下， 由于閥前空間兌的壓力遠大于閥后空間％的壓力，初級加載腔A側的泄漏遠大于預啟閥腔 C側的泄漏，次級加載腔B壓力1 從而會因為上述的泄漏而逐步增大，而次級加載腔B與預啟閥腔C之間的滑動配合間隙被視作基本上密封的)；隨著閥碟160的升程H進一步增加， 當閥碟升程H大于或等于第一升程值&之后，此時次級加載腔第一通道152將次級加載腔B 與初級加載腔A連通，從而初級加載腔A的壓力Pa(也即閥前壓力P1)借助次級加載腔第一通道152被傳導至次級加載腔B，最終實現(xiàn)次級加載腔B壓力Pb等于初級加載腔A壓力Pa， 即Pb = Pa = Pi。此時，在閥門壓差AP = P1-P2W作用下，在該次級加載凸臺169中(即次級加載腔B的下表面)將會限定出環(huán)形的次級加載面積Ab，其大小為Ab=(Da2-D€)>^/4， 由此次級加載凸臺169受到附加的向下的次級載荷壓差力Fb，F(xiàn)b= APXAb= (P1-P2) XAb, Fb與ΔΡ的大小成正比關系。此時，閥碟160上總的氣動載荷壓差力F = Fa+Fb。在高壓調節(jié)閥100的閥碟升程H進入危險區(qū)間時，初級載荷壓差力Fa因為閥門壓差Δ P的迅速減小大幅下降，而此時，由于次級加載機構的生效，從而次級載荷壓差力Fb迅速增大，使閥碟160上總的氣動載荷壓差力F仍保持較高數(shù)值，整體作用效果不減。這對于高壓調節(jié)閥的抑制振動的效果來說是非常有利的。優(yōu)選，第二升程值H2取值范圍為H2 = 0. 18-0. 21ΗΚ，可以使次級載荷壓差力Fb及時發(fā)揮作用，有效地與初級載荷壓差力Fa形成迭加效應，保證閥碟160上總的氣動載荷壓差力F保持較大數(shù)值，從而使次級加載腔B壓力Pb在閥碟進入流動狀態(tài)惡化的危險區(qū)間之前，即開始先行上升到與初級加載腔A壓力&相同數(shù)值；同時也避免次級加載腔B壓力Pb 升壓過早，致使總的氣動載荷壓差力F過大，給閥門提升造成困難，另外也避免閥桿170承受的拉應力過大。上述帶第一錐度α工的第一錐面164和/或帶第二錐度α 2的第二錐面165的設計可以使次級加載腔B壓力Pb與初級加載腔A壓力Pa平緩過渡，防止壓力突跳。在所示實施例中所述第一錐度h和第二錐度Ci2的大小相同，但也可以不同。優(yōu)選地，第一升程值H1略大于第二升程值H2，優(yōu)選地為H1 = 1. 2-1. 4Η2，并且H1對應的閥碟開度K = (Η/Η,) Χ100%<30%,這樣可以使次級加載腔B先封閉后升壓，有效地防止高壓蒸汽大量漏入閥后空間( ，避免對閥后壓力P2造成干擾，這種設置有利于閥門工作的穩(wěn)定性。先轉到圖3，其示出了電站汽輪機高壓調節(jié)閥的閥門流量特性曲線，該曲線可由理論分析計算或實驗測量得出，具有典型的代表意義。如圖3所示，高壓調節(jié)閥具有快開特性，相對質量流量0i/Qmax)隨著閥碟開度K的增大呈快速增加，閥碟開度K = 30%時，(Q/ Qfflax)已高達80%左右；這種快開流量特性，也是造成高壓調節(jié)閥在小開度區(qū)間流速迅速增大，蒸汽流動狀態(tài)隨之迅速惡化的主要原因之一。圖4是與圖3相對應的根據(jù)本發(fā)明的高壓調節(jié)閥各部位壓比β (在此為以閥前壓力P1作為單位壓力來顯示各部件的壓力值)與閥碟開度K的關系曲線。如圖4所示，由于高壓調節(jié)閥的快開特性，致使閥后壓力I32也隨著閥碟開度K的增大呈快速增加，閥碟開度K =30%時，壓比β已接近或等于臨界壓比β lls，也就是說閥碟配合接觸線M附近的環(huán)形氣流通道內的蒸汽流速V已接近或達到當?shù)匾羲?；鑒于高溫高壓高速蒸汽流動的復雜性，此時閥門內部局部區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)超音速流動，這就是高壓調節(jié)閥經(jīng)常會在小開度區(qū)發(fā)出刺耳嘯叫氣動噪聲的主要原因；伴隨著尖銳氣動噪聲的往往就是高速氣流產(chǎn)生的各種劇烈變化的壓力脈動和流體沖擊擾動，這些惡劣影響因素，都是誘發(fā)或加劇高壓調節(jié)閥通流部件發(fā)生強烈受迫振動的直接原因。繼續(xù)參考圖4，本發(fā)明的電站汽輪機高壓調節(jié)閥100中，其初級加載腔A中壓力Pa 始終等于閥前壓力P1 ；其次級加載腔B壓力Pb是變化的，隨著閥碟開度K的增大，次級加載腔B壓力Pb由略高于閥后壓力P2躍升為等于初級加載腔A壓力Pa，即等于閥前壓力P1 ；次級加載腔B壓力Pb的躍升起始區(qū)間，就是閥碟升程H在第一升程值H1和第二升程值H2之間以及大于等于第二升程值的區(qū)域，第二升程值H2作用是先使次級加載腔B封閉，第一升程值H1的作用是使已經(jīng)封閉的次級加載腔B升壓到與初級加載腔A的相同壓力，第一升程值H1和第二升程值吐的配合作用使得次級加載腔B壓力Pb的躍升不發(fā)生突跳，并可以有效地防止高壓蒸汽大量漏入閥后空間％，以保證閥后壓力P2穩(wěn)定不受干擾。圖5分別地示出了根據(jù)本發(fā)明的高壓調節(jié)閥的初級、次級載荷壓差力及它們之和與閥碟開度的關系曲線。如圖5所示，初級加載腔A產(chǎn)生的初級載荷壓差力Fa，隨著閥碟開度K的增加而迅速減小，主要是由于初級加載腔A壓力Pa快速下降所致，當閥碟開度K = 30%時，F(xiàn)a已下降60%左右，Pa對閥碟160的拉緊約束作用也大幅度降低；次級加載腔B產(chǎn)生的次級載荷壓差力Fb，在閥碟升程H大于第一升程值H1 (此時閥碟開度約為30% )后，已經(jīng)躍升到超過Fa的水平。閥碟160上總的氣動載荷壓差力F，是Fa和Fb的迭加效果，即F = Fa+Fb;如圖5所示，在根據(jù)本發(fā)明的高壓調節(jié)閥中，在閥碟開度K = 30%附近的小開度區(qū)間，也就是在閥門內部流動狀況最惡劣的區(qū)間，總的氣動載荷壓差力F仍然足夠大，有效地發(fā)揮出防振、抗振、消振和抑振效能。如圖5所示，閥碟160上總的氣動載荷壓差力F的最大值Fmax位于閥碟開度K = 0處，F(xiàn)在K = 30%處的峰值Ff等于或略小于F的最大值Fmax，以Ff = (0. 9 1. 0)Fmax為宜。本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的說明書將能夠由各項技術特征參數(shù)的選定與匹配確定總載荷壓差力F的最大值Fmax和峰值Ff，確定F的最大值Fmax的基本原則是綜合考慮閥桿170 的承載能力和閥桿170的提升機構的提升能力進行選取。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的高壓調節(jié)閥的總載荷壓差力F的最大值Fmax與總體的閥桿直徑dg的關系曲線。如圖6所示，按照已公知的閥門氣動熱力學和結構強度設計計算方法，閥桿170的閥桿直徑dg是已知的，當閥桿直徑dg = 35-55mm時，總載荷壓差力F的最大值= (12000N-25000N) 士 1000N。按照正比例關系，閥桿170的閥桿直徑dg較粗大時選用較大數(shù)值，閥桿170的提升機構提升能力較強時選用較大數(shù)值。一旦確定了首選技術特征參數(shù)Fmax，其他技術特征參數(shù)即可依次設計計算得出。下面結合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6，詳細描述本發(fā)明的高壓調節(jié)閥的一個實施例各項技術特征參數(shù)的選定與匹配方法，以及設計計算1.本發(fā)明實施例的高壓調節(jié)閥100的該實施例適用的電站汽輪機功率等級為340麗超臨界機組，已知高溫高壓主蒸汽壓力P1 = 23. 5Mpa，蒸汽溫度、=540°C，最大工況345MW時，總的進汽質量流量為1080t/h ；機組共配置四個完全相同的高壓調節(jié)閥，每兩個高壓調節(jié)閥與一個高壓主汽閥共用一個閥殼，組成一個高壓主汽調節(jié)聯(lián)合閥，每臺機組有兩個聯(lián)合閥，分別位于汽輪機本體兩側。已知每個高壓調節(jié)閥的最大設計質量流量Gmax = 270t/h,即Gmax = 75Kg/s ；蒸汽比容ν = 0. 013364m3/Kg,則每個高壓調節(jié)閥的最大容積流量 Qfflax = Gmax · ν = 1. 002m3/s。根據(jù)氣動熱力學設計方法，利用閥門最大容積流量Qmax和閥門最大流速Vmax，可求得閥門配合接觸線M的配合直徑Dm，按常規(guī)選取最大流速
權利要求
1.一種高壓調節(jié)閥(100)，包括閥殼(110)、固定在閥殼(110)中的閥座(140)、閥碟 (160)、與閥碟(160)相聯(lián)接的閥桿(170)和套設在閥碟(160)外的閥碟導向套筒(150)；其中，所述閥碟(160)在閥桿(170)的驅動下可沿該閥碟導向套筒(150)在閥碟(160)落座于閥座(140)上的閉合位置和對應于閥碟升程(H)的最大值的全開升程(Hk)之間上下運動， 所述閥殼(110)限定出高壓的閥前空間Oi1)和低壓的閥后空間(Q2),所述閥前空間Oi1)與所述閥后空間(Q2)當所述閥碟(160)位于該閉合位置時彼此隔絕且當離開所述閉合位置時彼此連通，其特征是，還包括具有初級加載機構和選擇性地與閥前空間Oi1)連通的至少一個次級加載機構的分級加載機構，所述初級加載機構包括在所述閥碟導向套筒(150)與所述閥碟(160)之間形成的初級加載腔(A)，其與閥前空間Oi1)連通從而施加向下的初級載荷壓差力(Fa)在閥碟(160)上，所述至少一個次級加載機構各包括在所述閥碟導向套筒 (150)與所述閥碟(160)之間形成的次級加載腔(B)，其中，所述次級加載腔(B)構造成當閥碟升程(H)大于等于一個第一升程值(H1)時與閥前空間Oi1)連通從而施加附加的向下的次級載荷壓差力(Fb)在閥碟(160)上。
2.根據(jù)權利要求1所述的高壓調節(jié)閥(100)，其特征是，所述初級加載機構包括將所述閥前空間Oi1)與該初級加載腔(A)連通的初級加載腔通道(151)和在所述閥碟(160)中形成且限定出初級加載面積(Aa)的初級加載凸臺(166)，其中閥前空間Oi1)和閥后空間( ) 之間的壓差(ΔΡ)作用于該初級加載面積(Aa)上形成所述初級載荷壓差力(Fa)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的高壓調節(jié)閥(100)，其特征是，所述至少一個次級加載機構各包括次級加載腔第一通道(15 和在所述閥碟(160)中形成且限定出次級加載面積 (Ab)的次級加載凸臺(169)，其中該次級加載腔第一通道(15 構造成當閥碟升程(H)大于等于所述第一升程值(H1)時連通所述初級加載腔(A)和所述次級加載腔(B)以使得閥前空間Oi1)和閥后空間(Q2)之間的壓差(ΔΡ)作用于該初級加載面積(Ab)上形成所述次級載荷壓差力(Fb)。
4.根據(jù)權利要求3所述的高壓調節(jié)閥(100)，其特征是，該高壓調節(jié)閥(100)包括泄壓通道和通過該泄壓通道能與閥后空間(Q2)連通的預啟閥腔(C)。
5.根據(jù)權利要求4所述的高壓調節(jié)閥(100)，其特征是，所述泄壓通道由預啟閥腔泄壓孔(167)和預啟閥泄壓孔(168)構成。
6.根據(jù)權利要求4所述的高壓調節(jié)閥(100)，其特征是，所述至少一個次級加載機構還包括次級加載腔第二通道(153)，該次級加載腔第二通道(15 構造成當閥碟升程(H)小于一個第二升程值(H2)時連通所述次級加載腔(B)和所述預啟閥腔(C)，且當閥碟升程(H) 大于等于所述第二升程值(H2)時隔絕所述次級加載腔(B)和所述預啟閥腔(C)。
7.根據(jù)權利要求6所述的高壓調節(jié)閥(100)，其特征是，所述第一升程值(H1)大于所述第二升程值(H2)。
8.根據(jù)權利要求6所述的高壓調節(jié)閥(100)，其特征是，所述第一升程值(H1)與所述第二升程值(H2)之比在1. 2-1. 5范圍和/或所述第二升程值(H2)與所述全開升程(Hk)之比在0. 18-0. 21范圍。
9.根據(jù)權利要求6所述的高壓調節(jié)閥(100)，其特征是，所述次級加載腔第一通道在靠近所述次級加載腔(B)的端部處設置有朝該次級加載腔(B)漸縮的帶第一錐度(a D的第一錐面(164)，該第一錐度(Ci1)在6° -12°的范圍。
10.根據(jù)權利要求6至9中任一項所述的高壓調節(jié)閥(100)，其特征是，所述次級加載腔第二通道在靠近次級加載腔(B)的端部處設置有朝該次級加載腔(B)漸縮的帶第二錐度 (Ci2)的第二錐面(165)，第二錐度(Ci2)在6° -12°的范圍。
11.根據(jù)權利要求1所述的高壓調節(jié)閥(100)，其特征是，所述高壓調節(jié)閥是電站汽輪機的高壓調節(jié)閥。
12.—種調節(jié)高壓流體的方法，其特征是，包括如下步驟在該高壓流體的流動路徑中設置高壓調節(jié)閥，其中該高壓調節(jié)閥具有包括閥殼、固定在閥殼中的閥座、閥碟、與閥碟相聯(lián)接的閥桿和套設在閥碟外的閥碟導向套筒，其中，所述閥碟在閥桿的驅動下可沿該閥碟導向套筒在閥碟落座于閥座上的閉合位置和對應于閥碟升程的最大值的全開升程之間上下運動；通過該高壓調節(jié)閥的閥殼在該流動路徑中限定出高壓的閥前空間和低壓的閥后空間， 所述閥前空間與所述閥后空間當所述閥碟位于該閉合位置時彼此隔絕且當離開所述閉合位置時彼此連通；在所述高壓調節(jié)閥中設置具有初級加載機構和選擇性地與閥前空間連通的至少一個次級加載機構的分級加載機構，其中該初級加載機構包括與閥前空間連通的初級加載腔， 所述至少一個次級加載機構各包括選擇性地與閥前空間連通的次級加載腔；和調節(jié)閥碟的升程以調節(jié)流到閥后空間的高壓流體的壓力與流量，其中，在初級加載腔中形成施加到閥碟上的初級載荷壓差力，且當閥碟的升程大于等于一個第一升程值時，在次級加載腔中形成施加到閥碟上的次級載荷壓差力。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征是，該高壓調節(jié)閥還包括泄壓通道和通過該泄壓通道能與閥后空間連通的預啟閥腔，其中，還包括在閥桿與閥碟的聯(lián)接中設置預啟升程的步驟，其中當閥桿在預啟升程中運動時，所述閥碟保持在閉合位置中，且該預啟閥腔通過該泄壓通道與閥后空間連通以起到預啟閥的作用。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高壓調節(jié)閥，包括閥殼、固定在閥殼中的閥座、閥碟、與閥碟相聯(lián)接的閥桿和套設在閥碟外的閥碟導向套筒。閥碟在閥桿的驅動下可沿閥碟導向套筒閉合位置和全開升程之間上下運動，閥殼限定出閥前空間和閥后空間。高壓調節(jié)閥包括具有初級加載機構和至少一個次級加載機構的分級加載機構。初級加載機構包括在閥碟導向套筒與閥碟之間形成的初級加載腔，其與閥前空間連通從而施加向下的初級載荷壓差力在閥碟上。至少一個次級加載機構各包括在閥碟導向套筒與閥碟之間形成的次級加載腔。次級加載腔構造成當閥碟升程大于第一升程值時與閥前空間連通從而施加向下的附加的次級載荷壓差力在閥碟上。本發(fā)明還涉及一種調節(jié)高壓流體的方法。
文檔編號F01D17/10GK102486097SQ20101057879
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權日2010年12月3日
發(fā)明者孫秀君, 崔永強, 張曉光, 王振鵬, 蔡虎 申請人:北京全三維動力工程有限公司