1. 引言
在发电行业，重型燃汽轮机联合循环发电技术以其卓越的热效率和快速启停能力，成为应对电力负荷峰谷变化、提升能源供应稳定性的优选方案。特别是在分布式能源系统中，重型燃汽轮机能够靠近用户端进行发电，有效减少输电损耗，提高能源利用的经济性与可靠性[1]。据国际能源署统计数据显示，近年来全球重型燃汽轮机发电装机容量持续攀升，年增长率保持在5%左右，在部分发达国家，其占总发电装机容量的比重已超过30%。
然而，重型燃汽轮机在运行过程中面临着诸多技术挑战，其中压气机喘振问题是影响其稳定运行的关键因素之一[2]。喘振是指压气机在特定工况下，气流出现强烈的低频脉动，导致压气机性能急剧下降，甚至引发机组振动、损坏等严重后果。据行业故障统计资料表明，因喘振导致的重型燃汽轮机故障占比约为20%~30%，给企业带来巨大的经济损失与安全隐患。防喘放气阀作为预防压气机喘振的核心装置，其性能优劣直接关系到重型燃汽轮机的运行稳定性与可靠性。深入研究防喘放气阀的工作原理、优化设计及其控制策略，对于提升重型燃汽轮机的整体性能、保障能源生产与工业运行的安全稳定具有至关重要的现实意义[3]。
2. 理论计算方法
2.1. 材料与结构设计
2.1.1. 材料选择
根据部件功能选择材料：阀体(A105锻造钢，屈服强度165~180 MPa)、阀瓣(17-4PH不锈钢，屈服强度860~965 MPa)、阀杆(GR660合金钢，屈服强度620~690 MPa)。材料需满足强度、耐腐蚀性及工艺要求。
2.1.2. 结构设计
对比传统蝶阀，三偏心阀门通过三次偏心设计，即阀杆轴心偏离阀板中心、阀杆轴心偏离管道中心线、密封面锥角，将传统蝶阀的“面密封”转化为“线密封”，并通过介质压力与机械偏心的双重作用，实现零泄漏或极低泄漏率[4]。三偏心全金属无故障蝶阀如图1所示。
从结构上，对比传统蝶阀，例如中心蝶阀依靠橡胶软密封，密封面全程摩擦，仅适用于低压、常温及非磨损介质，且橡胶易老化，而对于三偏心阀门，通过三个偏心量的几何组合，使阀板与阀座在启闭过程中无摩擦接触，且关闭时通过圆锥面楔紧产生金属硬密封，彻底解决了传统蝶阀“摩擦磨损”与“密封可靠性”的矛盾[5]。
从性能上，三偏心阀门金属硬密封设计可承受高达10 MPa以上的介质压力，且耐温范围广，适用于蒸汽、油气、高温烟气等恶劣工况；线密封结构使泄漏率显著降低，部分产品可达零泄漏，满足严格的环保与安全要求。
从机械性能上，偏心结构降低了启闭扭矩，配合电动或气动执行机构，可实现快速开关与自动化控制；
密封面采用耐磨材料(如硬质合金、陶瓷)，结合偏心设计减少摩擦，使用寿命较传统蝶阀提升3~5倍[6]。
1) 螺钉；2) 螺母；3) 垫圈；4) 底法兰；5) 石墨垫圈；6) 对开环；7) 阀体；8) 轴套；9) 阀杆；10) 蝶板；11) 阀座；12) 吊环；13) 内六角螺钉；14) 轴套；15) 填料座圈；16) 填料；17) 填料盖板；18) 填料压板；19) 碟簧；20) 支架；21) 执行机构。
Figure 1. Design of a DN500 caliber tree-eccentricity all-metal trouble-free butterfly valve
图1. DN500三偏心全金属无故障蝶阀设计图
2.2. 力学性能计算
阀体壁厚计算：依据公式
，结合设计压力(16 MPa)、计算孔径(584 mm)及腐蚀余量(4.8 mm)，得到理论壁厚tb = 70.71 mm，实际壁厚ta = 199 mm (表1)，满足ta > tb。
Table 1. Maximum equivalent stress
表1. 最大等效应力
|
阀杆 Valve stem |
碟板 Valve plate |
阀杆 + 碟板 Valve stem and plate |
阀体 Valve body |
总装配体 Assembly |
DN500蝶阀 DN500 butterfly valve |
124.32 (MPa) |
592.76 (MPa) |
327.68 (MPa) |
173.07 (MPa) |
519.43 (MPa) |
密封面比压校核：总密封力
，其中介质力
，密封力
。校核计算比压q = 151.05 MPa，低于许用值[q] = 250 Mpa。
Table 2. Maximum deformation
表2. 最大形变
|
阀杆 Valve stem |
碟板 Valve plate |
阀杆 + 碟板 Valve stem and plate |
阀体 Valve body |
总装配体 Assembly |
DN500蝶阀 DN500 butterfly valve |
0.42201 (mm) |
0.18528 (mm) |
0.13902 (mm) |
0.09085 (mm) |
0.12615 (mm) |
2.3. 有限元仿真分析
模型建立：使用SolidWorks构建阀门三维模型，包含阀体、碟板、阀杆等部件。针对三偏心结构(轴向、径向、角向偏心)，蝶阀三维模型图如图2所示。需精确体现密封副的空间偏移特性，为后续准确模拟奠定基础。对影响较小的细节如倒角、螺栓孔等进行简化[7]，避免网格数量过多影响计算效率。
网格划分与优化：对密封面、应力集中区域等关键部位进行局部加密，其余区域适当粗化。选择合适的网格类型，规则结构使用六面体网格，复杂区域采用四面体网格。划分完成后检查网格质量良好。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 2. 3D model of a DN500 caliber tree-eccentricity all-metal trouble-free butterfly valve. (a) Valve stem; (b) Valve plate; (c) Valve body; (d) Butterfly valve assembly
图2. DN500三偏心全金属无故障蝶阀三维模型图。(a) 阀杆；(b) 碟板；(c) 阀体；(d) 蝶阀总装配体
3. 各部件总变形及等效应力云图
3.1. 阀杆的总变形与等效应力云图
当介质压力作用于碟板时，载荷通过碟板传递至阀杆，形成弯曲力矩或轴向力。中部位置因离支撑端有一定距离，力矩作用下的弯曲变形累积最大。此外，阀杆中部存在截面突变等结构特征，也会加剧局部刚度降低，导致变形集中。从图3(a)阀杆总变形可以看出，最大变形量出现在阀杆中部，数值为0.422 mm (见表2)，阀杆总变形处于合理区间，阀杆变形满足密封面贴合要求，表明变形未导致密封面脱离或卡涩，满足启闭功能需求。结构刚度满足高压工况下抗变形能力要求[8]。
从图3(b)最大等效应力出现在阀杆中部，数值为124.32 MPa。应力分布与载荷传递路径一致，危险截面与理论预判吻合。最大等效应力小于阀杆材料的许用应力，表明阀杆材料未进入塑性变形阶段，结构设计满足高压工况下的强度要求。
(a) (b)
Figure 3. Cloud diagram of total deformation and equivalent stress of valve stem. (a) Total deformation of valve stem; (b) Equivalent stress of valve stem
图3. 阀杆的总变形与等效应力云图。(a) 阀杆总变形；(b) 阀杆等效应力
3.2. 碟板的总变形与等效应力云图
从图4(a)可以看出，碟板的总变形集中于中部区域。这一现象与碟板的受力特性及结构形式密切相关。三偏心阀门的碟板在高压工况下，中部承受着介质压力、密封副接触力等多种载荷的综合作用。从变形量来看，虽然中部变形相对较大，但整体变形值处于可允许范围内。这表明碟板在正常工作压力下，尽管会产生一定的弹性形变，但这种形变并未超出材料的弹性变形极限，不会导致碟板发生塑性变形或失效，能够保证阀门的正常密封和启闭功能[9]。同时，周边区域的变形较小，说明碟板边缘在结构上能够较好地约束变形，维持阀门的整体结构稳定性。
等效应力的分析结果同样显示，图4(b)，中部区域是等效应力的集中区域。这是由于中部在承受压力载荷时，应力分布较为复杂，存在弯曲应力、接触应力等多种应力分量的叠加。高压介质作用于碟板表面，使中部承受较大的法向压力，同时密封副的接触作用在中部产生局部接触应力，这些因素共同导致中部等效应力相对较高。该等效应力值仍在材料的许用应力范围之内。这意味着碟板材料能够承受工作工况下的应力水平，不会发生强度失效问题[10]。材料的强度裕量足以应对实际工作中的应力变化，保证了碟板在长期使用过程中的安全性和可靠性。
3.3. 阀体的总变形与等效应力云图
从图5(a)和图5(b)可以看出，阀体的总变形与等效应力主要集中在阀体内部环状部位。环状结构边缘存在固定约束或刚度较大的支撑，边缘的位移会被限制，而中心区域因约束较弱，在压力作用下径向膨胀更自由，形成“中心变形大、边缘变形小”的梯度分布[11]。除此之外，环状部位与阀芯、密封圈等部件接触，接触界面的非线性效应也会导致局部应力升高。后续可以增加环状区域过渡圆角半径，降低几何不连续性，也可调整截面厚度分布，使中心区域厚度略大于边缘，从而均衡应力。
(a) (b)
Figure 4. Cloud diagram of total deformation and equivalent stress of valve plate. (a) Total deformation of valve plate; (b) Equivalent stress of valve plate
图4. 碟板的总变形与等效应力云图。(a) 碟板总变形；(b) 碟板等效应力
(a) (b)
Figure 5. Deformation and equivalent stress cloud map of valve body. (a) Total deformation of valve body; (b) Equivalent stress of valve body
图5. 阀体的总变形与等效应力云图。(a) 阀体总变形；(b) 阀体等效应力
3.4. 总装配体的总变形与等效应力云图
从图6可以看出，在对三偏心高压防喘放气阀门总装配体进行静应力分析时，总变形结果呈现出较为合理的分布状态，这主要是由于通过偏心结构，实现密封面的非接触启闭，这种设计在承受介质压力时，载荷可通过多个对称路径传递，避免了单一部件的集中受力[12]。当工作载荷作用时，各部件的刚度分布均匀，使得变形量被分散到整个装配体，形成 “协同变形”效应，从而抑制局部过大变形。
等效应力的分析结果同样表明，总装配体的应力水平处于安全可控状态。整个装配体的等效应力分布较为均匀，大部分区域的应力值远低于材料的屈服强度，说明这些区域的材料处于弹性阶段，具有足够的强度裕量[13]。最大等效应力值为519.43 MPa，考虑为应力集中，针对装配体中易产生应力集中的部位，如螺栓孔、截面突变处、密封面拐角等，通常通过圆角过渡、加厚处理或流线型结构优化，降低应力集中系数。例如，阀体与法兰的连接处采用大圆角r = 5~10 mm，可使应力集中系数从3降至1.5以下，从而避免局部应力超过材料屈服强度[14]。
(a) (b)
Figure 6. Cloud diagram of total deformation and equivalent stress of the final assembly ligand. (a) Total deformation of the final assembly ligand; (b) Equivalent stress of the final assembly ligand
图6. 阀体的总变形与等效应力云图。(a) 总装配体总变形；(b) 总装配体等效应力
4. 实验验证
4.1. 材料与性能测试
阀门密封与功能测试如图7所示，依据ANSI B18.34标准进行壳体试验(390 Bar/300s)及密封试验(6 Bar/60s)，验证了阀门在密封性能和功能方面的可靠性，能够满足实际应用中的使用需求。
Figure 7. Test on the shell and sealing of the triple-eccentric butterfly valve
图7. 三偏心蝶阀壳体试验和密封试验
4.2. 有限元仿真验证
仿真结果显示，阀体变形最大值为0.09085 mm (见表3)，阀杆最大应力为124.32 MPa (见表4)。经与理论计算结果对比，两者数据表现出良好的一致性。这一吻合性有效验证了仿真模型的准确性，表明模型能够可靠地反映实际结构的力学响应特性。
Table 3. Maximum deformation
表3. 最大形变
|
阀杆 Valve stem |
碟板 Valve plate |
阀体 Valve body |
总装配体 Assembly |
DN500蝶阀 DN500 butterfly valve |
0.42201 (mm) |
0.18528 (mm) |
0.09085 (mm) |
0.12615 (mm) |
在1.5倍最大工作压差工况下，各部件所受应力均显著低于材料屈服强度阈值，同时变形量亦控制在设计允许范围之内。该结果表明，结构在超工况条件下仍能满足力学性能要求，有效验证了设计方案的安全性与可靠性。
Table 4. Maximum equivalent stress
表4 最大等效应力
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阀杆 Valve stem |
碟板 Valve plate |
阀体 Valve body |
总装配体 Assembly |
DN500蝶阀 DN500 butterfly valve |
124.32 (MPa) |
592.76 (MPa) |
173.07 (MPa) |
519.43 (MPa) |
4.3. 物理实验与功能测试
对三偏心蝶阀进行启闭扭矩测试(见图8)，通过对比理论计算值与实测数据，且所有测试循环中阀门启闭顺畅，无异常阻力，满足设计规定的灵活性要求。
Figure 8. Opening and closing torque test of triple-eccentric butterfly valve
图8. 三偏心蝶阀启闭扭矩测试
5. 结果与讨论
1) 针对大型压缩空气储能高压防喘放气阀，以1500 LB金属硬密封三偏心蝶阀为研究对象，通过理论计算与实验验证相结合的方式，确定了适配的材料与结构设计方案。金属硬密封的选用可应对高压差工况下的磨损与密封需求，三偏心结构通过优化密封面接触角度，减少了启闭过程中的摩擦损耗。实验验证显示其在1.5倍最大工作压差下仍保持良好力学性能与密封性，既满足了极端工况下的安全要求，又通过结构创新平衡了高压环境下的密封可靠性与使用寿命。
2) 有限元仿真与物理测试结果进一步证实了设计的合理性：阀杆最大应力124.32 MPa处于材料安全阈值内，阀体0.09085 mm的变形量未超出密封面允许公差。通过ANSI标准壳体耐压与密封试验表明，1.5倍压差下阀体无泄漏且结构完整。三偏心结构通过偏心角设计使应力沿阀杆与阀体均匀分布，避免了局部应力集中，这一特性在高压差工况下尤为关键，为阀门长期稳定运行提供了结构力学保障，也为同类高压阀门设计提供了可借鉴的应力优化思路[15]。