核舰艇汽轮机调节阀界面动特性机理与控制研究

The nuclear-armed submarine turbine regulating valve stem clearance steam flow induced vibration problem has become an important factor restricting the development of high-reliability of regulating valve. This study mainly focuses on the key and common issue in regulating valve——the valve stem vibration, wear and breakage induce unstable operation of the generating unit, and study the vibration abatement measure of regulating valve by using the interface dynamic characteristic of surface texturing with the key point of interface effect, the way controlling the steam flow at the source. Through molecular dynamics simulation, dynamic and static wettability experiment, nonlinear vibration energy analysis, fluid-solid coupled approach, vibration modal analysis and other methods, the construction principle and processing method for micro textured-surface are present, the mechanism of interface dynamic characteristics of curved surface is also revealed. Considering the impact of the initial geometrical imperfections and hysteresis of droplet, and build the surface gradient for the droplets spontaneous transportation under designing the interface shape, scale and curvature. The topology properties analysis, steam flow induced vibration suppression method combined into one new strategy for interface control of dynamic characteristic of regulating valve is put forward. The achievements of this project will add knowledge to our understanding of interfacial and vibrational science, and provide theoretical basis and engineering guidance for restraining the turbine regulating valve stem vibration, wear and breakage induce unstable operation of the generating unit in nature.

核舰艇汽轮机调节阀阀杆间隙汽流激振问题制约了调节阀性能向高可靠性发展。本项目针对调节阀的关键共性问题——阀杆振动、磨损、断裂问题导致机组不稳定运行，以界面效应为切入点，开展织构化界面动特性控制来抑制调节阀振动的研究，从根源上主动控制界面上的蒸汽流动，通过分子动力学模拟，动静态润湿性实验，非线性振动能量分析、流固耦合分析、振动模态分析等方法，提出仿生微织构表面的构建原理与加工方法，揭示曲面基体界面动特性作用机理。通过界面拓扑形状、尺度、曲率的设计，考虑液滴初始缺陷及迟滞性的影响，构建表面能梯度以实现液滴自输运行为，提出一种集拓扑结构性质分析、汽流激振抑制方法于一体的调节阀界面动特性控制研究新策略。相关研究可丰富界面科学与摩擦学的理论基础，并从本质上为抑制汽轮机调节阀阀杆振动磨损断裂导致机组不稳定运行提供理论依据和工程指导。

本项目针对调节阀的关键共性问题——阀杆振动、磨损导致机组不稳定运行，以界面效应为切入点，开展织构化界面动特性控制来抑制调节阀振动的研究。通过激光加工制备实验样品，系统总结织构化界面的物理构造与加工工艺，创新性的提出激光加工中存在的现象—能量残余现象。研究不同粗糙度基底、织构化表面的织构形状、尺寸等重要参数对润湿性以及接触角时变效应的影响规律，并行考虑了介质物性对润湿性力学行为的影响，研究了粗糙基底液滴Wenzel-Cassie润湿状态的转换过程。重点研究织构化界面润湿性力学行为及流体输运界面动力学影响，通过外界强迫振动能驱动液滴横向运输，研究共振频率振动下微织构基底上液滴的瞬态输运过程，并建立强迫振动驱动液滴迁移位移模型，用以预测其在固体表面运动迁移的完整轨迹。同时，基于弹性动力学，研究振动基液滴动态润湿性和弹性波散射的关系，分析弹性波散射对润湿特性的影响。建立强迫振动倾斜液滴运动演变理论模型，定量分析振动液滴的铺展速度、直径和系数与时间的关系，揭示振动液滴在织构表面的输运机制。最后，以织构化阀芯液压阀作为研究对象，基于实验和两相流数学计算模型，研究织构液压阀阻流特性和响应性的影响机理，探索阀门性能与织构化表面的关联本质，并提出了相应的微织构的形状、面积比以及宽高比的优化方案。最后开展液压阀船用实际工况台湾海峡延平二号科考船搭载实验，以分析复杂工况下的织构化液压阀的可行性，实现微结构降压、减漏及流体输运控制关键技术, 提出一种集拓扑结构性质分析、汽流激振抑制方法于一体的调节阀界面动特性控制研究新策略。本项目以舰艇用阀门为研究对象，属于国家未来10-20年发展的战略需求中共性科学问题上的极端服役装备的功能创成，其科学意义在于通过织构设计控制液膜界面特性，提高阀门动压承载与响应特性，使调节系统稳定运行，可为国防装备性能的极端化与可再生能源的社会应用提供科学支撑。