Fluid-structure interaction analysis on the head of steam turbine control valve

The operational flexibility of steam power plant is becoming more important as power generation becomes increasingly decentralized, with a growing contribution from renewable energy sources. In a steam power plant the control valve is a key component to guarantee the control of the plant of which is increasingly demanded to extend the operational capability. At specific operating conditions, the control valve could experience vibrations which may contribute to significant damages to the structure. Therefore, only an accurate model in which the fluid structure interaction is considered could predict the forces amplitudes and frequencies close to real operational condition. This thesis study aims to perform a fluid-structural interaction analysis on control valve head in order to investigate the effect of coupling the two analysis results (Fluid dynamics and structural calculations) on the fluid pressure pulsations in terms of forces amplitudes and frequencies. Firstly, the physical phenomena of the unsteady aerodynamic excitation force on valve head have been investigated by means of CFD techniques. An in-house code named HT206 [21] was used to simulate the fluid dynamic behavior of the flow in throttling operating condition of the valve. Different pressure drops at certain valve lift have been selected from the valve operational map, repressing the most critical operational points in which high pressure fluctuations and subsequent force pulsations on the valve head is expected. Different vibration modes have been identified, from stochastic behavior with wide width of frequency ranges for the unsteady flow. In the second step the effect of such forces on the structure of the valve has been studied, and the vibration amplitude of the valve body in response of fluid dynamic forces has been investigated. A structural analysis is performed using the commercial software Abaqus v. 6.13-3. The dynamic steam forces obtained by previous computational fluid dynamic (CFD) calculations for the case with higher pressure difference are impressed on the structural dynamic finite element model (FEM) of the valve. One-way coupling of the fluid-structure interaction is then performed by taking the most displaced position of the valve head (during the simulation time) as an input back to the CFD model. The new geometry for the fluid (considering the displaced valve head) is then re-meshed and re-simulated to be able to study the effect on fluid dynamic forces. Results have been presented and studied in terms of amplitude and frequencies and have been compared to the original, symmetric valve head simulation results, made at the first step.

Sommario La flessibilità in termini operativi delle centrali a vapore sta diventando sempre più importante, dal momento che la generazione di energia si sta progressivamente decentralizzando, con un crescente contributo da parte di fonti rinnovabili. Per garantire il controllo ed estendere la capacità operativa di una centrale a vapore, la valvola di controllo è l’elemento cruciale. In certe specifiche condizioni operative, la valvola di controllo può essere sottoposta a vibrazioni che possono danneggiarne significativamente la struttura. Per questa ragione, solo un modello molto accurato, in cui sia contemplata l’interazione fluido-struttura, può restituire un valore delle forze e delle frequenze che sia prossimo a quello che si verifica nelle reali condizioni operative. L’’obiettivo della presente tesi è quello di eseguire un’analisi dell’interazione fluido-struttura sulla testa della valvola di controllo, per indagare gli effetti dell’accoppiamento dei risultati di due differenti analisi (fluidodinamica e strutturale) sulle pulsazioni di pressione del fluido in termini di forze e frequenze. In primo luogo è stato indagato, per mezzo di tecniche CFD, il fenomeno fisico della forza aerodinamica non stazionaria di eccitazione sulla testa della valvola. Per simulare il comportamento fluidodinamico del flusso nelle condizioni operative di strozzamento della valvola, è stato usato il codice interno ALSTOM Ltd denominato HT206 [21], Dalla mappa operativa della valvola sono state selezionate differenti cadute di pressione in corrispondenza di differenti alzate della stessa, escludendo i punti operativi più critici, in cui ci si attende fluttuazioni ad alta pressione e forze sulla testa della valvola. Dal comportamento stocastico del flusso stazionario, per un range molto ampio di frequenze, sono stati individuati differenti modi di vibrare. Il secondo luogo sono stati studiati l’effetto di tali forze sulla struttura della valvola e l’ampiezza delle vibrazioni del corpo della stessa in risposta alle forze fluidodinamiche. Per svolgere un’analisi di tipo strutturale è stato impiegato il software commerciale Abaqus v. 6.13-3. Le forze dinamiche del vapore, ottenute dalle precedenti analisi di fluidodinamica computazionale (CFD) nel caso di alte differenze di pressione, sono state utilizzate nel modello dinamico ad elementi finiti (FEM) della valvola. Un accoppiamento dell’interazione fluido-struttura è stato eseguito utilizzando le posizioni estremali della testa della valvola (durante la simulazione) come un input per il modello CFD. La nuova geometria per il fluido (ottenuta considerando lo spostamento della testa della valvola) è stata quindi meshata e sottoposta ad una nuova simulazione, per studiare gli effetti delle forze fluidodinamiche in questa nuova configurazione. I risultati sono stati analizzati e presentati in termini di forze e frequenze e sono stati confrontati con quelli ottenuti dalla prima simulazione con la testa della valvola in configurazione simmetrica.