摘 要：利用FLUENT对某AP1000核电汽轮机中压进汽蝶阀内的流动特性进行数值模拟。进口电动调节阀分别对调节阀在100%、60%、30%3种开度下的速度场与压力场进行分析并讨论阀门压损随调节阀开度的变化。结果表明：调节阀在100%开度时，压力分布均匀对称、流动稳定简单，当调节阀开度变为60%与30%时压力分布不再对称，流速变化大，流动变得复杂且有涡流产生。随调节阀开度的减小，调节阀处的压损所占阀门总压损的比例升高。

关键字：蝶阀 数值模拟 流场 压损

0 前言

对于中间再热核电汽轮机，进口气动调节阀在高压缸与中压缸之间，再热器及再热蒸汽管巨大的容积空间储存着大量的具有一定压力和温度的蒸汽，机组甩负荷时，这部分蒸汽足以使汽轮机发生超速。所以中间再热汽轮机必须设置中调门，在甩负荷时它能快速关闭，以防汽轮机超速。阀内蒸汽的流动对阀门的启闭有重要影响，所以了解中调门流动特性很有必要。

通过实验研究虽然能够测出阀门的总体性能，但难以了解阀门内部的复杂流动细节。随着计算流体力学（CFD）和计算机技术的发展，采用数值模拟手段对其内部复杂流动进行研究成为可能。董建华等对600MW超超临界汽轮机高压主汽调节联合阀的内部流场进行了数值模拟。胡李鹏等对1000MW超临界汽轮机高压进汽阀进行了压力场模拟。周桐等对核电主汽阀的流动进行了二维数值模拟。对汽轮机高压进汽阀内的流动进行了模拟。

上述数值模拟的研究对象大多是火电汽轮机高压进汽阀门，对于大型核电机组汽轮机中压进汽阀内流动的数值模拟很少。本文利用FLUENT对某AP1000核电汽轮机中压缸主汽阀与调节阀一体的联合进汽蝶阀在不同工况下对蝶阀的内部流场、压力场进行模拟，揭示阀内流速及压力分布情况。

1 数值模拟

1.1 模拟对象

图1为中压进汽蝶阀实体示意图。

图1 中压进汽蝶阀实体图

阀门蝶板结构如图2所示。

图2 蝶板结构

1.2 网格划分

图1所示阀门模型流道很短，为使蒸汽在管道内的流动得到充分发展，以阀门及其前管道L₁=5D（D为管道直径1.2m）与后管道L₂=10D为计算域。采用ANSYSICEMCFD软件对阀门划分网格，蝶板形状不规则，在蝶板区域采用非结构网格，蝶阀前、后管道部分则采用结构化网格。蝶板周围的流动情况是研究的重点，因此在主汽阀板和调节阀板表面添加边界层（见图3），网格总数达到125万。

图3 蝶板周围网格划分

1.3 计算方法

蝶阀内部流场的流动为三维黏性流动，基于不可压缩流动的雷诺时均方程组求解，使用标准k－ε双方程模拟湍流流动；方程中的对流项均采用二阶迎风格式离散，离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法。流动为定常流动，计算收敛标准为最大残差小于10^-4。计算时进口边界为速度进口，出口边界为压力出口，其余边界均设为固体边界。

2 模拟结果

主汽阀是控制蒸汽通道的重要阀门，对机组的安全启停和运行有重要作用。在汽轮机正常运行时主汽阀一直保持全开状态，主要功能是在紧急状况下能够迅速关闭，切断主蒸汽进入汽轮机，使机组停机，以此尽可能防止事故的发生和扩大［13］。汽轮机调节阀是用来调节蒸汽流量和压力的阀门，蝶阀中蝶板转过一定角度，管道的流通面积随即改变，以此调节汽轮机的进汽量，控制机组的主力和转速，适应不同工况的需要。

通常机组在高负荷运行时由高压调节阀进行调节，低负荷运行时，中压调节阀才参与调节。研究对象为中压进汽阀，所以首先对低负荷下调节阀全开时的阀内流动进行数值模拟，分别调整调节阀的开度至60%和30%再进行流场与压力场的模拟。设调节阀开度变化过程中阀前压力不变。不同开度下的蒸汽参数如表1。

表1 蒸汽参数值

2.1 阀门全开

为了解阀内的流动特性，文中对y=0截面的流动进行分析。压力云图4中主汽阀与调节阀都处于全开位置，左边为主汽阀，右边为调节阀（下同）。处于全开状态的蝶板与阀体之间的通道对流体没有太多约束，蒸汽通过蝶板时，通流面积减小，蒸汽压力降低，有一定的过阀损失，但此时管道内压力分布均匀对称。

图4 阀门全开压力云图

从图5可看出，阀门全开时，流道的通流面积最大，流速在通道内分布均匀对称。流速的过渡区域较大，因而速度梯度相对较小，阀内流态也相对平稳。由于中心蝶板的阻隔，通流面积的减小使蒸汽流贴着管道流动。主汽阀和调节阀之间以及调节阀之后出现的局部低速区也与真实的状况相吻合。

图5 阀门全开速度云图

2.2 主汽阀全开，调节阀开60%

压力云图6显示，以调节阀板为界，上流为高压，调节阀板后的压力有明显降低。主汽阀处于全开状态，该处的通流面积最大，因而压力梯度并不大。调节阀开度减小，流道通流面积相应减小，对蒸汽的通过有着明显的阻隔作用。因调节阀板的阻挡，主汽阀和调节阀之间存在局部高压区，调节阀板后形成低压区，使得调节阀板前后的压差增大，压力分布已不再对称。

图6 调节阀60%开度压力云图

由速度云图7可知，主汽阀全开时，主汽阀板周围速度变化小，由于主汽阀板的阻挡在其后形成了局部低速区。当调节阀的开度调整到60%开度时，调节阀处的通流面积明显减小，流体较大速度集中在蝶板与阀体之间的过流区域。从调节阀板下部流过的蒸汽贴着管壁流动，从调节阀板上部流过的蒸汽向下方扩散。

图7 调节阀60%开度速度云图

2.3 主汽阀全开，调节阀开30%

由压力云图8知，主汽阀没有明显的节流现象，当汽流进入调节阀板与阀体组成的通道后，在极短的行程中，蒸汽剧烈膨胀，静压迅速降低，调节阀板前后的压力变化较上一工况更加明显。此时调节阀几乎快要关闭，通流面积已然很小，阀板过流区域流速变化大（图9），垂直于流动方向的速度梯度也比较明显，速度流会对管壁产生冲刷，不过流量较小，所以通流速度不大。由调节阀板上部流过的汽流不会贴着管壁流动而是向下方流，并且由图10可以看出调节阀板后生成了漩涡，该漩涡从主流中吸取能量，造成了当地的能量损失。

图8 调节阀30%开度压力云图

图9 调节阀30%开度速度云图

图10 调节阀30%开度速度矢量图

3 调节阀不同开度下的压损分析

流体在管道内流动，经过主汽阀与调节阀势必产生压损，为研究主汽阀和调节阀处的压损分布，取阀门截面示意图11进行研究。

图11 阀门截面示意图

定义A－A截面与C－C截面之间的压差即阀门总压差为阀门的总压损为Δp，A－A截面与B－B截面之间压损即主汽阀压损为Δp1，B－B截面与C－C截面之间压损即调节阀压损为Δp2。

图12中显示的为主汽阀全开调节阀不同开度下的调节阀压损Δp2占阀门总压损Δp的比例，可以看出调节阀的开度大致在85%以上时调节阀所占的压损比例    小于0.5，即此时主汽阀处的压损Δp1大于调节阀处的压损Δp2。当调节阀的开度低于75%时，上升曲线的坡度变陡，说明随着调节阀开度的减小，调节阀处的压损Δp2越来越占据主导地位。当调节阀开度在30%左右时，调节阀压损比例接近于1，说明压损主要发生于调节阀处，此时主汽阀处的压损Δp1相对于调节阀处的压损Δp2几乎可以忽略。

图12 不同开度下调节阀压损比例

4 结论

（1）主汽阀和调节阀全开时，流通面积最大，通流状况好，压力和速度分布均匀对称，流动平稳简单。

（2）调节阀开度减小时，蝶板与阀体之间的流通面积减小，蒸汽速度变化显著，流场不稳定。调节阀板前后压力变化明显，且在调节阀板后形成涡流并产生回流现象，造成一定的能量损失。

（3）随调节阀开度减小，调节阀处的压损所占阀门总压损比例越大。

本页关键词：进口气动调节阀, 进口电动调节阀,, 进口调节阀