摘 要：采用商用计算流体动力学软件CFX，分析了大型核电汽轮机高压调节阀阀座上的消音槽、阀碟空腔和阀壳分流板结构对阀内流场特性的影响。结果表明，消音槽和空腔对阀内流场特性有较大影响，分流板对阀整体气动性能影响不大。全开工况下，消音槽的存在增加了阀门的总压损失，降低临界流量系数，空腔的存在对总压损失和临界流量系数影响极小，但可改善空穴回流区流场的均匀性；部分负荷下。

关键字：调节阀 消音槽 空腔 分流板

汽轮机是火电、核电必不可少的动力装置，而调节阀在决定汽轮机组可靠性的组件中具有特殊的地位。已有研究表明，高压调节阀压损每增加l%，高压缸效率约下降0.4%，并且调节阀在某些工况下，不仅有较大的能量损失，而且可能引起阀门的振动，导致类似阀杆断裂、阀座拔起等事故。为此，国内外学者针对调节阀的流动特性做了相当多的研究。徐克鹏等人的数值研究表明，流动损失集中分布在调节阀喉部附近，调节阀喉部附近汽流的不均匀分布是造成流动损失的主要原因。hardin等人采用模化比1∶2的模化阀进行了试验研究，结果表明，阀门内部不对称的非定常流动是引起阀门噪声和振动的主要原因。相晓伟等人对某汽轮机调节阀进行了全工况的三维流场特性研究，结果表明，阀碟和阀座形成的环形通道是阀门通流能力、流动特性以及稳定性的关键部位；对于进汽方式的不同以及阀腔内是否加分流板也进行了研究，结果表明不同进汽方式及是否有分流板对阀整体气动性能影响不大。Engeda对调节阀性能和稳定性进行了研究，结果表明，调节阀振动的根本原因是阀内部流动产生了分离，降低振动的有效方法是对阀型出现流动分离部位进行优化。这一结论与王平子提出的通道中某个部位产生脱流会使阀内流动向不稳定转变的观点一致。

从目前国内外的研究现状来看，尽管对于常规火电汽轮机调节阀的实验研究和数值模拟都进行了很多的工作。但目前对于核电汽轮机调节阀的研究还是凤毛麟角。如东汽公司采用的核电高压调节阀阀座具有消音槽和空腔，其基本思想是使阀门系统在整个工况范围内不产生系统共振，并降低阀门的噪声。哈尔滨汽轮机厂在正对进口的阀壳上加分流板，加分流板的作用是防止汽流进入阀腔后产生不对称扰流。本文采用CFD数值模拟的方法，对某大型核电汽轮机高压调节阀的流场特性进行了数值模拟，从而为核电调节阀的设计提供理论依据。

1 几何模型和数值方法

1.1 几何模型

以某核电汽轮机高压调节阀为研究对象，其结构剖视图如图1所示，它由阀座、阀碟、阀腔和分流板等部件构成。图2给出了该阀的气动计算模型，图3为该调节阀阀座上的消音槽结构示意图。为获得调节阀内部真实流动情况，在对流体域通道进行几何建模过程中，对调节阀关键结构不做简化且调节阀入口和出口均考虑一定的延伸段。为获得调节阀全开和部分负荷等实际运行工况下的流动特性，需对调节阀相对升程进行改变，并针对该升程开展CFD数值研究。

相对升程定义如下：

    （1）

图1 核电阀结构剖视图

图2 核电阀计算模型

图3 核电阀消音槽结构示意图

式中：L为调节阀绝对升程，Dn为调节阀阀座的喉部直径。

1.2 网格划分

调节阀阀内流道形状复杂，喉道附近蒸汽膨胀剧烈，因此在网格划分时应对阀碟下表面与阀座上表面组成的环形通道区域进行网格加密，以提高计算准确度。图4为全开工况下该核电阀的计算区域网格示意图，其中图4（a）、图4（b）所示为该阀主流区网格示意图。本文计算所用的网格为：主流区网格采用结构化的分区网格，特殊结构采用非结构化网格，并进行网格无关性验证。

图4 核电阀网格划分示意图

1.3 控制方程求解及边界条件

CFD计算采用全三维N－S方程和SST湍流模型，计算中对控制方程和边界条件进行有限元离散；动量、能量、湍动能以及湍流耗散率的离散格式均采用高分辨率的二阶迎风格式。计算工质为蒸汽，进口边界条件设定为总压、总温和来流方向；出口边界为平均静压；壁面为绝热壁面。

1.4 阀门气动性能的评价指标

高压调节阀出口连接高压缸入口，总压损失系数是调节阀气动性能主要评价指标之一，即：

    （2）

式中：ζ为总压损失系数，p_总in和p_总out为调节阀进、出口汽流平均总压。

临界流量系数是评定阀门通流能力的重要指标，临界流量系数越大，说明阀门的通流能力越大。临界流量系数可由数值计算和实验测得，其定义公式如下：

    （3）

    （4）

式中：ξ为阀门对应升程下的临界流量系数，G为通过阀门的实际质量流量，Gc为临界流量，Fc为阀座喉部直径处截面面积，k为工质的绝热指数，P0为阀门进口总压，υ0为阀门进口总压、总温所对应工质的比容。

2 计算结果及分析

调节阀的流道结构主要分为3个部分：阀腔，阀碟与阀座组成的环形通道以及阀座后的扩压段。已有研究结果表明，调节阀内主要存在5种复杂流动过程：阀腔内绕流、阀碟与阀套间隙内的流动及卸载室内的流动、阀碟与阀座组成环形通道内的加速流动、环形通道出口的高速射流及引起空穴区内的回流流动以及阀座后扩压流动。其具体流动特征可概括为，汽流进入阀腔后，一部分汽体直接流向阀碟与阀座组成的环形通道，而大部分流体则会绕流到阀腔后侧再流向环形通道，但当来流汽流不均匀等不利因素出现时，易造成从阀杆两侧流过的2股汽流不均匀，导致调节阀阀腔内的不对称受限绕流。汽流进入阀腔后，极少的汽流会沿阀碟与阀套形成的小间隙进入卸载室，然后通过卸载孔流入阀碟下方。其余绝大部分汽流流入阀碟与阀座形成的环形通道，在此区域流体的压力急剧降低，汽流速度迅速升高，并在环形通道出口形成高速射流，阀碟正下方与射流流体之间的区域由于射流的卷吸作用导致汽流流速低，形成相对负压和回流流动。最终，所有汽流都会流入阀座后的扩压段。因此，前面介绍的为防止阀腔不对称绕流采用的分流板、为消音减振核电阀门采用的消音槽和空腔等因素都必将导致调节阀内复杂的流场发生变化。

2.1 消音槽和空腔对流场的影响

同常规的火力发电机组相比，核电汽轮发电机组由于进汽参数较低，容积流量比较大，高压调节阀的体积很大，因此，对于核电汽轮机调节阀的流动特性、稳定性和结构设计等方面有更高的要求。核电机组高压调节阀采用的消音槽和阀碟空腔结构分别有降低气动噪声、减小阀碟振动和提高阀门稳定性的作用，而这两种结构必然会使阀内流场产生变化，进2影响阀门的气动特性。图5所示为全开工况下（相对升程43%）核电阀带消音槽、空腔结构和无消音槽、无空腔的流体域剖视图，其中图5（a）为无消音槽无空腔的结构，图5（b）为有消音槽无空腔的结构，图5（c）为带消音槽带空腔的结构。

图5 核电调节阀全开工况下气动模型剖视图（相对升程43%）

表1给出了阀门在全开和部分升程工况下（相对升程18%）的总体性能计算结果。从表可以看出，全开工况下，消音槽的存在会增加阀门的总压损失，导致相同压比下阀门的临界流量系数减小。在部分负荷下，消音槽对阀门的总压损失影响较小，但同样造成相同压比下阀门的临界流量系数减小；阀碟空腔结构对全开工况下、部分负荷下总压损失和临界流量系数影响较小。分析认为，调节阀全开工况下，阀内的流动损失较小且主要由沿程阻力损失构成，消音槽的存在不会明显改变全开工况下阀内的流动特征，但却增加了流体与阀座的接触面积，能显著增加阀内的沿程阻力损失，因此导致总压损失有所增加；部分负荷下，阀内的流动损失较大且主要由局部阻力损失构成，消音槽的存在虽改变了阀内的流动特征，但对局部阻力损失影响较小，故对总压损失影响较小。

表1 核电调节阀气动特性模拟结果

注：总压损失以核电阀门（a）相对升程43%时的总压损失为基准进行了归一化处理临界流量系数以核电阀门（a）相对升程43%时的临界流量系数为基准进行了归一化处理总压损失以核电阀门（a）相对升程18%时的总压损失为基准进行了归一化处理临界流量系数以核电阀门（a）相对升程18%时的临界流量系数为基准进行了归一化处理

图6为核电调节阀全开工况下来流方向的速度矢量图。从图可以看出，由于该阀阀碟型线较短，阀碟和阀座型线组成的导流道较短，在全开工况条件下3种结构阀碟与阀座组成的流道中流场较均匀。消音槽的存在会对阀内的流场有较大的影响，沿周向均匀布置的消音槽能增加进汽面积，降低环形通道内汽流的流速，使阀门中的最大流速由276m/s降低至231m/s，可缓解汽流扰动引起的激振力，但由于消音槽的存在，会与主流产生掺混，增加流动阻尼，产生流动损失。如无消音槽时，阀碟正下方空穴区域内的回流强度会增加（如图6（a）所示），这将导致环形通道出口的高速流体与空穴区域低速流体的剪切强度增大，因此可以预期其噪声将升高。从图6（c）所示的来流方向速度矢量图可以看出，当阀碟具有空腔结构时，对汽流扰动起到缓冲作用，能改善空穴回流区流场的均匀性，使阀座喉部下游流动更加均匀。

图6 电调节阀全开工况下来流方向速度矢量图（相对升程43%）

图7为核电调节阀部分负荷工况下（相对升程18%）来流方向的速度矢量图。从图7（b）可以看出，阀座上周向均匀布置的消音槽增加了阀碟和阀座之间环形通道的面积，降低了环形通道内汽流的流速，使阀门中最大流速由1006m/s降低至845m/s，在流动过程中部分汽流能通过消音槽进入喉部，使贴附阀碟和阀座的流动更均匀且阀碟下部的低速空穴区域明显减小，流动的流型也由贴附阀座射流逐渐向均匀流转变，因此消音槽的存在能明显降低小升程时阀内的流动噪音。从图7（c）可以看出，阀碟正上方存在的空腔结构为阀碟正下部低速空穴区内汽流的回流提供了空间，能改善空穴回流区域内流场的均匀性，但会对部分负荷下的流场结构产生较大影响，导致阀座喉部下游的流动变得相对不均匀，但却不会明显改变环形通道内汽流的流速，这很可能是空腔结构对全开工况和部分负荷下总压损失、临界流量系数影响较小的主要原因之一。

图7 核电调节阀部分负荷工况下来流方向速度矢量图（相对升程18%）

2.2 分流板对流场的影响

当汽流来流均匀且进口通道正对阀杆时，从阀杆两侧流过的2股汽流会在分流板位置处发生会合，并产生一定强度的碰撞，产生能量耗散。如汽流不均匀或阀腔结构的不对称变化等因素出现，易导致来流蒸汽高速扰流，进而产生大的损失。为防止汽流进入阀腔后的不对称扰流并使阀门出口汽流更加均匀，工程上广泛使用在正对进口的阀壳上安装分流板，其结构示意图如图1所示。

图8所示为上述核电阀全开工况下（相对升程43%）带分流板和无分流板的流体域剖视图。图9所示为阀腔内正对进口中心截面的马赫数分布云图。从图可以看出，分流板不会明显改变阀腔内的流场，阀腔内的流动为低马赫数流动，最大的马赫数仅为0.11。分析认为，汽流由进口管道进入阀腔后，由于通流截面面积的增加导致流速显著降低，且安装分流板的位置处，其流速正是整个阀腔中最低的，速度的数量级基本上在10m/s以内。因此在这一位置上安装分流板基本上不会对阀门的总压损失等性能造成影响，这点也可从表2上得到印证。

图8 电调节阀全开工况下气动模型剖视图（相对升程43%）

表2 核电阀全开工况下带分流板和无分流板气动特性模拟结果

注：总压损失以核电阀无分流板全开时的总压损失为基准进行了归一化处理

图9 核电阀全开工况下阀腔中心平面上马赫数等值线图（相对升程43%）

图10所示为上述核电阀全开工况下带分流板和无分流板来流方向的速度矢量图。从图可以看出，分流板的存在使来流方向上最大流速由230.9m/s增加至231.1m/s，但增加的幅度较小，且不会明显改变来流方向阀内的流场，这也表明分流板的存在基本上不会对阀门的整体性能造成影响。

图10 核电调节阀全开工况下来流方向速度矢量图（相对升程43%）

3 结语

（1）消音槽结构可有效降低核电阀门的气动噪声，但会对阀门通道流场产生一定影响，会在一定程度上增加阀门的气动损失，并使阀门的临界流量系数减小。

（2）阀碟空腔结构对阀门气动损失和临界流量系数影响较小，但对汽流扰动起到缓冲作用，能改善空穴回流区流场的均匀性，对提高阀门稳定性有积极作用。

（3）分流板结构防止了汽流的相互碰撞，使阀门出口汽流更均匀，对阀整体气动性能不会产生不利影响。