杨磊
中材节能股份有限公司 天津市 300400
摘要：高温烟道阀门口径特别大，生产制造周期比较长，运输超宽，运费特别高，维修成本高，在设计阶段就需要保证阀门的高效、安全和可靠。本文基于ANSYS热力耦合分析，给出了闸板结构优化方案，对闸板增加支撑，并把阀板设计为有弓度，使闸板满足设计要求，并在项目现场使用良好。
关键词：闸板阀；热力耦合；ANSYS
高温烟道阀门作为余热发电与水泥生产线连接的关键辅机设备之一，直接关系到整个余热发电系统运行效率和可靠性，也是水泥企业提高余热发电效益，降低生产成本的有效措施。阀门的位置和生产运输的特殊性，决定了更换阀门所付出的代价特别高。由于阀门口径特别大，生产制造周期比较长，运输超宽，运费特别高，运输时间长，给业主增加了成本。如果再加上由于阀门故障，阀板变形，出现阀板卡死，泄漏增大，流量无法调节，浪费大量废气资源，甚至导致电站不能正常运行。所以，设计阶段就需要保证阀门的高效、安全和可靠，鉴于上述情况，本文基于ANSYS对闸板进行热力学分析[1]，对闸板结构优化设计，使闸板阀满足设计要求。
1、闸板阀阀板三维模型的构建
闸板阀主要技术指标要求，外形尺寸为：Φ7000 mm; 使用工况: 600℃; 适合介质压力：0.1Mpa；设计阀板尺寸为：7200mm×1600mm×330 mm；在间隔550mm处加上支撑梁；使用16mm不锈钢制作；利用 Iventor三维软件进行三维建模(图 1) 。
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2、有限元模型的创建
2．1 材料特性及单元类型确定
闸板阀关闭时要经历长时间一边高温气体，一边冷却的情况，因此，需考虑材料的力学性能随温度变化的情况，高温工况闸板一般使用是45#钢，45#钢的材料特性如表1所示。
表1 45#钢的材料特性[2]?
密度 泊松比 弹性模量 线膨胀系数 屈服强度 抗拉强度
7850kg/m3 0.269 210 GPa 12 ×10-6°C -1 355 MPa 600 MPa
如前所述，闸板阀工作时属于三维瞬态热弹塑性问题，既需要计算温度场，又需要计算变形场。单元必须满足下列条件:1.自由度为温度的热单元;2.具有热传导、热对流能力;3.必须能够进行序列耦合的热分析和结构分析。根据 ANSYS供的单元类型，本文选取SOLID70 3D（图2）。因为，该单元是一个八节点六面体单元，可用于三维的稳态或瞬态热分析问题，具备三维热传导能力。同时，若包含导热实体单元的模型还需要进行结构分析，此单元可以转化为等效的结构单元。
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2.2边界条件分析与确定
为了能利用有限元得到温度场及变形的解，必须确定闸板工作的边界条件。热源设置为600℃单面受热，一面设置为对流换热损失，空气对流换热系数h= 20W m2 ?°C ，将闸板的一端固定。
2．3求解结果及分析
利用 ANSYS 有限元分析软件，通过热应力耦合分析得出闸板在600℃工况下的状态，通过 Ansys 后处理功能显示变形量云图，如图3所示。显然并不符合设计要求。
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在此基础上，结合变形位置与变形量调整闸板设计，在变形方向加上钢管支撑，并把阀板设计为带有弓度，如图4所示。
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3、总结
本文针对大规格闸板阀尺寸大，温度高的特点，利用Inventor软件设计了闸板阀阀板，利用Ansys有限元软件对闸板的热应力和变形进行了分析，在此基础上对阀板增加支撑，将闸板设计为有弓度，达到了阀板可靠性设计的目的。
参考文献
[1]胡仁喜，龙凯，堂沙沙，等. ANSYS 多物理耦合场有限元分析 [M]. 北京: 机械工业出版社.
[2] 金泉林. 矩形截面梁热应力弯曲的弹塑性分析解. 塑性工程学报, 1996, 3(3):30-40