核电阀门消音座在稳定运行中对流场的影响

孔祥林 黄元东

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

核电阀门消音座在稳定运行中对流场的影响

孔祥林 黄元东

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

消音座在核电阀门中是很特殊且重要的一个部件，主要起到消音和减震的作用。但是在试验中发现，消音座的存在增大了核电阀门的损失。文章对有消音座和没有消音座的核电阀门进行了全开状态下，不同压比的数值模拟。其中模化为1:3.5，工质采用压缩空气。通过对比两种阀门的总压损失系数，临界流量系数，流场矢量图，压力和速度云图等，研究了消音座总压损失、流量系数以及噪音和震动的机理。

消音座；总压损失；流量系数；数值模拟

0 引言

对大型汽轮机来说，高压调节阀总压损失每上升1%，高压缸效率下降约0.4[1]。总压损失一方面造成了汽轮机组经济性的下降，另一方面，损耗的这一部分能量又通过噪音和阀后震动的方式耗散出去。

对于核电汽轮机组来说，由于其配置焓降只有火电再热机组的一半[2]，进汽压力较火电机组进汽压力低，因此总压损失系数大于火电机组。同功率的阀容积流量为火电的5～6倍。由于总压损失系数及流量的增大，对核电阀门研究降低总压损失系数和提高流量系数尤其具有重要意义。

总压损失系数的增大，核电饱和机组的大流量再加上湿蒸汽的特殊条件，会产生无法接受的高噪音[3]和震动。震动会导致汽轮机出现安全隐患，增大了机组的检修和维护成本。目前，美国和西方国家对工业噪音的大小限制已经做出了明确的规定[4]，随着工业发展及环保的压力，这种要求也将越来越高，为了提高核电机组的质量和竞争力，必须对阀门的震动和噪音进行优化。目前，核电机组一般都会采用消音座进行消音减震，本文主要探讨某核电消音座的作用原理以及带来的一些不利因素，为阀门的进一步优化提供理论支持。

1 计算模型

对两种方案进行了数值计算模型，分别是带消音座和不带消音座的模化阀门。阀门的计算模型如图1所示，图2为安装在阀座上的消音座模型。

图1 阀门计算模型

图2 装在阀座上的消音座

2 消音座的消音原理

计算用核电阀门采用的消声器为阻性消声器[5],其消音原理是通过摩擦将声能转化为热能而消耗掉。

文献[3]中，消声罩降低了小开度超临界条件下的噪声,但引起了气流的附加损失。试验表明该阀的全开压损大,相同压损下的全开流量系数仅为一般球形阀的一半。因为一般球形阀为圆弧形成的光滑流道,而消声罩阀的进汽流道为尖锐棱角,流道的突变造成大的压损。

3 模拟数据处理

阀门数值模拟采用ansys13.0中的fluent进行，网格用icem软件进行划分，网格的划分采用结构化和非结构化结合的方式，计算模型采用的是带旋流修正k-ε模型。

阀门的总压损失和流量系数是研究阀门效率最基本的参数，通过这两个参数可以衡量阀门的流阻特性。

3.1总压损失系数

3.2临界流量系数

阀门的流量系数：ξc=G/Gc。其中，G为数值模拟得到的流量，为阀门临界质量流量，Fc为阀门的进口截面积，K为空气的绝热指数，ρ10为进口空气滞止状态下的密度。

图3和图4为全开工况下两种阀门在不同压比下的总压损失和临界流量系数。可以看出有消音座的阀门损失明显大于无消音座阀门。由于试验条件的限制，最小压比只到0.7。经过对比，计算结果与试验结果之间的误差小于4%。说明本文的数值模拟有很高的精度。

图3 不同压比下的总压损失系数变化

图4 不同压比下的临界流量系数变化

3.3阀门流场特性分析

本文的阀门数值计算分析主要是在压比为0.97条件下进行，此压比接近电厂阀门实际运行的压比工况。因此对于阀门有实际意义。

图5 不带消音器阀座

图6 带消音器阀座

图5和图6为有、无消音座的阀门对称中平面上的总压分布图。从上面两图中可以看出总压损失主要发生在调节阀喉部、阀座以及阀碟区域，而且带消音器阀座的总压损失明显更大。消音座对阀门的流场和损失有直接的影响。

图7 无消音座调节阀阀座及喉部区域速度矢量图

图8 带消音座调节阀阀座及喉部区域速度矢量图

图7和图8为相同条件下，有、无消音座的阀门调节阀喉部区域速度矢量图。可以看出在相同条件下，有、无消音座对流场的影响很大，尤其是在喉部以及喉部之后的管内流动中。没有消音座的情况下，流体在经过阀碟后的流动方向一致，最终大量的流体会在喉部区域附近相遇撞击，因此会带来很大的噪音。而由于消音座的存在，大量的径向方向一致的流体被分割打散，形成了径向流动方向不一致的流体质量团，这些小质量流体团的撞击发出的噪音频率不一样，位置不一样，从而达到消音的目的。同时，由于消音座导流以及组织周向速度的作用，流体周向速度很小。由于流动混合的一致性，出口区域的方向将会垂直于出口，那就要求将喉部区域流体的这部分周向力消耗掉，这消耗的反作用力主要来源于管壁，这就导致了喉部及后面管道的震动。

试验在距阀门喉部处1m的位置呈90°周向分布了两组噪音采集器。测得喉部区域的噪音分别是，带消音座的60.94dB，不带消音座的66.81dB。因为试验中采用的工质是空气且流量小，所以噪音较小。但是可以明显看出，带消音座的阀门噪音小。

试验没有测量阀门喉部区域的震动。由于噪音是由震动引起的，因此可以用噪音的强弱来近似判断震动的大小。基于试验和上面的分析，消音座对阀门震动的影响是积极的。

图9 无消音器阀门喉部速度场

图10 带消音器阀门喉部速度场

图9与图10为两种阀门调节阀喉部的速度云图。结合图7与图9可以看出，在喉部区域，无消音座的调节阀在接近管道处的速度明显大于中间流道处，一方面由于中间流道流体的相互撞击导致流速降低，另一方面，管壁处速度为高度的旋转速度。正是由于近壁面处的流体速度过大，导致了大震动和高噪音的产生。对比图9与图10，虽然带消音座阀门喉部处流向更加均匀，但是由于其主流区的速度较小，导致在相同压比下阀门的流量系数较小。

图11 无消音座阀门喉部总压分布云图

图12 带消音座阀门喉部总压分布云图

图11和图12为两种阀门的喉部压力云图，可以看出，喉部区域的压力分布很不均匀。无消音座阀门近壁面压力小，一方面是因为周向速度大，另一方面是因为中间气流撞击部分滞止，压力上升。带消音座阀门近壁面处的压力小是因为气流在经过消音座后会形成一些气流的空腔，导致压力很低。空腔的存在减小了主流区区域，使相同的压比下流量变小。

正是由于速度场和压力场分布严重不均匀，使调节阀喉部附近出现大的能量耗散，引起了喉部区域大的能量和总压损失。阀门的性能提升将主要集中在此区域。

4 结论

（1）由于消音座引起了速度场和压力场的严重不均，导致了总压损失的增大；

（2）消音座改变了喉部区域流体的入射方向、摩擦减速以及空腔的出现，使临界流量系数减小；

（3）阀门的主要噪声源来自于调节阀喉部区域的气流撞击，消音座将阀座区域的主要流体打乱，使撞击的区域和撞击频率发生变化，达到降噪的目的；同时，消音座降低了最大速度，这也是噪声下降的原因；

（4）消音座能够在很大程度上减小阀腔后管路的震动，起到很好的减震作用；

（5）消音座在喉部区域起到了很好的整流作用，对流场的发展是有利的，但是同时又带来了一些空腔，影响了流量。可以尝试调整这两方面的影响权重，达到优化阀门的目的。

总之，在核电阀门中，消音座能起到很好的降噪减震效果，其对阀门的气动性能影响也是相当明显的。本文分析了其降噪减震以及造成气动性能降低的原因，为进一步改进阀门的性能提供了理论依据。

[1]王平子.调节阀的压损与试验流量系数的关系[J].东方汽轮机,2001（2）:1-6

[2]朱丹书.核电汽轮机的调节阀设计[J].汽轮机技术,1995（5）:271-276

[3]朱丹书.带消声罩调节阀的改进[J].上海汽轮机,1997（3）: 36-41

[4]盛青,王枵天.国外核电电站阀门[J].阀门,1993（3）:31-39

[5]倪敏化.消声器原理及其工程应用[J].电声技术,2006（3）: 55-57

东汽要闻

Influence of Nuclear Power Valve Muffle on Flow Field at Working Condition

Kong Xianglin，Huang Yuandong

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

M uffle is the im portant part in the nuclear power valve w hich reducesnoise and valve shake.It's found that the energy lossof valve w ith muffle isamp lified during the valve test.The paper comparesw ith the valve which hasmuffle or not by numerical simulation,which the dimension of the test valve isas the 1:3.5 of the valve at the power plant.Compressed air is used asworking material,and the valve worksat conditions of full open and different pressure ratio.The paper discusses the reason of total pressure loss,flow rate factor,noise and valve shake by comparing the total pressure loss factor,critical flow rate factor,flow vector diagram, contour of the pressure and velocity.

muffle,totalpressure loss,flow rate factor,numericalsimulation

孔祥林（1970-），男，高级工程师，毕业于哈尔滨工业大学，长期从事汽轮机气动试验研究工作。