核電閥門消音座在穩(wěn)定運(yùn)行中對流場的影響

孔祥林 黃元東

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

核電閥門消音座在穩(wěn)定運(yùn)行中對流場的影響

孔祥林 黃元東

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

消音座在核電閥門中是很特殊且重要的一個部件，主要起到消音和減震的作用。但是在試驗中發(fā)現(xiàn)，消音座的存在增大了核電閥門的損失。文章對有消音座和沒有消音座的核電閥門進(jìn)行了全開狀態(tài)下，不同壓比的數(shù)值模擬。其中?；癁?:3.5，工質(zhì)采用壓縮空氣。通過對比兩種閥門的總壓損失系數(shù)，臨界流量系數(shù)，流場矢量圖，壓力和速度云圖等，研究了消音座總壓損失、流量系數(shù)以及噪音和震動的機(jī)理。

消音座；總壓損失；流量系數(shù)；數(shù)值模擬

0 引言

對大型汽輪機(jī)來說，高壓調(diào)節(jié)閥總壓損失每上升1%，高壓缸效率下降約0.4[1]?？倝簱p失一方面造成了汽輪機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的下降，另一方面，損耗的這一部分能量又通過噪音和閥后震動的方式耗散出去。

對于核電汽輪機(jī)組來說，由于其配置焓降只有火電再熱機(jī)組的一半[2]，進(jìn)汽壓力較火電機(jī)組進(jìn)汽壓力低，因此總壓損失系數(shù)大于火電機(jī)組。同功率的閥容積流量為火電的5～6倍。由于總壓損失系數(shù)及流量的增大，對核電閥門研究降低總壓損失系數(shù)和提高流量系數(shù)尤其具有重要意義。

總壓損失系數(shù)的增大，核電飽和機(jī)組的大流量再加上濕蒸汽的特殊條件，會產(chǎn)生無法接受的高噪音[3]和震動。震動會導(dǎo)致汽輪機(jī)出現(xiàn)安全隱患，增大了機(jī)組的檢修和維護(hù)成本。目前，美國和西方國家對工業(yè)噪音的大小限制已經(jīng)做出了明確的規(guī)定[4]，隨著工業(yè)發(fā)展及環(huán)保的壓力，這種要求也將越來越高，為了提高核電機(jī)組的質(zhì)量和競爭力，必須對閥門的震動和噪音進(jìn)行優(yōu)化。目前，核電機(jī)組一般都會采用消音座進(jìn)行消音減震，本文主要探討某核電消音座的作用原理以及帶來的一些不利因素，為閥門的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論支持。

1 計算模型

對兩種方案進(jìn)行了數(shù)值計算模型，分別是帶消音座和不帶消音座的模化閥門。閥門的計算模型如圖1所示，圖2為安裝在閥座上的消音座模型。

圖1 閥門計算模型

圖2 裝在閥座上的消音座

2 消音座的消音原理

計算用核電閥門采用的消聲器為阻性消聲器[5],其消音原理是通過摩擦將聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉。

文獻(xiàn)[3]中，消聲罩降低了小開度超臨界條件下的噪聲,但引起了氣流的附加損失。試驗表明該閥的全開壓損大,相同壓損下的全開流量系數(shù)僅為一般球形閥的一半。因為一般球形閥為圓弧形成的光滑流道,而消聲罩閥的進(jìn)汽流道為尖銳棱角,流道的突變造成大的壓損。

3 模擬數(shù)據(jù)處理

閥門數(shù)值模擬采用ansys13.0中的fluent進(jìn)行，網(wǎng)格用icem軟件進(jìn)行劃分，網(wǎng)格的劃分采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化結(jié)合的方式，計算模型采用的是帶旋流修正k-ε模型。

閥門的總壓損失和流量系數(shù)是研究閥門效率最基本的參數(shù)，通過這兩個參數(shù)可以衡量閥門的流阻特性。

3.1總壓損失系數(shù)

3.2臨界流量系數(shù)

閥門的流量系數(shù)：ξc=G/Gc。其中，G為數(shù)值模擬得到的流量，為閥門臨界質(zhì)量流量，F(xiàn)c為閥門的進(jìn)口截面積，K為空氣的絕熱指數(shù)，ρ10為進(jìn)口空氣滯止?fàn)顟B(tài)下的密度。

圖3和圖4為全開工況下兩種閥門在不同壓比下的總壓損失和臨界流量系數(shù)。可以看出有消音座的閥門損失明顯大于無消音座閥門。由于試驗條件的限制，最小壓比只到0.7。經(jīng)過對比，計算結(jié)果與試驗結(jié)果之間的誤差小于4%。說明本文的數(shù)值模擬有很高的精度。

圖3 不同壓比下的總壓損失系數(shù)變化

圖4 不同壓比下的臨界流量系數(shù)變化

3.3閥門流場特性分析

本文的閥門數(shù)值計算分析主要是在壓比為0.97條件下進(jìn)行，此壓比接近電廠閥門實際運(yùn)行的壓比工況。因此對于閥門有實際意義。

圖5 不帶消音器閥座

圖6 帶消音器閥座

圖5和圖6為有、無消音座的閥門對稱中平面上的總壓分布圖。從上面兩圖中可以看出總壓損失主要發(fā)生在調(diào)節(jié)閥喉部、閥座以及閥碟區(qū)域，而且?guī)羝鏖y座的總壓損失明顯更大。消音座對閥門的流場和損失有直接的影響。

圖7 無消音座調(diào)節(jié)閥閥座及喉部區(qū)域速度矢量圖

圖8 帶消音座調(diào)節(jié)閥閥座及喉部區(qū)域速度矢量圖

圖7和圖8為相同條件下，有、無消音座的閥門調(diào)節(jié)閥喉部區(qū)域速度矢量圖?？梢钥闯鲈谙嗤瑮l件下，有、無消音座對流場的影響很大，尤其是在喉部以及喉部之后的管內(nèi)流動中。沒有消音座的情況下，流體在經(jīng)過閥碟后的流動方向一致，最終大量的流體會在喉部區(qū)域附近相遇撞擊，因此會帶來很大的噪音。而由于消音座的存在，大量的徑向方向一致的流體被分割打散，形成了徑向流動方向不一致的流體質(zhì)量團(tuán)，這些小質(zhì)量流體團(tuán)的撞擊發(fā)出的噪音頻率不一樣，位置不一樣，從而達(dá)到消音的目的。同時，由于消音座導(dǎo)流以及組織周向速度的作用，流體周向速度很小。由于流動混合的一致性，出口區(qū)域的方向?qū)怪庇诔隹?，那就要求將喉部區(qū)域流體的這部分周向力消耗掉，這消耗的反作用力主要來源于管壁，這就導(dǎo)致了喉部及后面管道的震動。

試驗在距閥門喉部處1m的位置呈90°周向分布了兩組噪音采集器。測得喉部區(qū)域的噪音分別是，帶消音座的60.94dB，不帶消音座的66.81dB。因為試驗中采用的工質(zhì)是空氣且流量小，所以噪音較小。但是可以明顯看出，帶消音座的閥門噪音小。

試驗沒有測量閥門喉部區(qū)域的震動。由于噪音是由震動引起的，因此可以用噪音的強(qiáng)弱來近似判斷震動的大小?；谠囼灪蜕厦娴姆治?，消音座對閥門震動的影響是積極的。

圖9 無消音器閥門喉部速度場

圖10 帶消音器閥門喉部速度場

圖9與圖10為兩種閥門調(diào)節(jié)閥喉部的速度云圖。結(jié)合圖7與圖9可以看出，在喉部區(qū)域，無消音座的調(diào)節(jié)閥在接近管道處的速度明顯大于中間流道處，一方面由于中間流道流體的相互撞擊導(dǎo)致流速降低，另一方面，管壁處速度為高度的旋轉(zhuǎn)速度。正是由于近壁面處的流體速度過大，導(dǎo)致了大震動和高噪音的產(chǎn)生。對比圖9與圖10，雖然帶消音座閥門喉部處流向更加均勻，但是由于其主流區(qū)的速度較小，導(dǎo)致在相同壓比下閥門的流量系數(shù)較小。

圖11 無消音座閥門喉部總壓分布云圖

圖12 帶消音座閥門喉部總壓分布云圖

圖11和圖12為兩種閥門的喉部壓力云圖，可以看出，喉部區(qū)域的壓力分布很不均勻。無消音座閥門近壁面壓力小，一方面是因為周向速度大，另一方面是因為中間氣流撞擊部分滯止，壓力上升。帶消音座閥門近壁面處的壓力小是因為氣流在經(jīng)過消音座后會形成一些氣流的空腔，導(dǎo)致壓力很低?？涨坏拇嬖跍p小了主流區(qū)區(qū)域，使相同的壓比下流量變小。

正是由于速度場和壓力場分布嚴(yán)重不均勻，使調(diào)節(jié)閥喉部附近出現(xiàn)大的能量耗散，引起了喉部區(qū)域大的能量和總壓損失。閥門的性能提升將主要集中在此區(qū)域。

4 結(jié)論

（1）由于消音座引起了速度場和壓力場的嚴(yán)重不均，導(dǎo)致了總壓損失的增大；

（2）消音座改變了喉部區(qū)域流體的入射方向、摩擦減速以及空腔的出現(xiàn)，使臨界流量系數(shù)減??；

（3）閥門的主要噪聲源來自于調(diào)節(jié)閥喉部區(qū)域的氣流撞擊，消音座將閥座區(qū)域的主要流體打亂，使撞擊的區(qū)域和撞擊頻率發(fā)生變化，達(dá)到降噪的目的；同時，消音座降低了最大速度，這也是噪聲下降的原因；

（4）消音座能夠在很大程度上減小閥腔后管路的震動，起到很好的減震作用；

（5）消音座在喉部區(qū)域起到了很好的整流作用，對流場的發(fā)展是有利的，但是同時又帶來了一些空腔，影響了流量?？梢試L試調(diào)整這兩方面的影響權(quán)重，達(dá)到優(yōu)化閥門的目的。

總之，在核電閥門中，消音座能起到很好的降噪減震效果，其對閥門的氣動性能影響也是相當(dāng)明顯的。本文分析了其降噪減震以及造成氣動性能降低的原因，為進(jìn)一步改進(jìn)閥門的性能提供了理論依據(jù)。

[1]王平子.調(diào)節(jié)閥的壓損與試驗流量系數(shù)的關(guān)系[J].東方汽輪機(jī),2001（2）:1-6

[2]朱丹書.核電汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)閥設(shè)計[J].汽輪機(jī)技術(shù),1995（5）:271-276

[3]朱丹書.帶消聲罩調(diào)節(jié)閥的改進(jìn)[J].上海汽輪機(jī),1997（3）: 36-41

[4]盛青,王枵天.國外核電電站閥門[J].閥門,1993（3）:31-39

[5]倪敏化.消聲器原理及其工程應(yīng)用[J].電聲技術(shù),2006（3）: 55-57

東汽要聞

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，高級工程師，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，長期從事汽輪機(jī)氣動試驗研究工作。