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大型核电汽轮机高压调节阀流场特性的数值研究钟主海　 江生科

东方电气东方汽轮机有限公司, 四川 德阳 618000

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, 消音槽会导致相同压比下阀门临界流量系数降低, 但对总压损失影响较

小, 空腔结构改善了空穴区内流场的均匀性, 对阀门的稳定性有积极作用。 分流板使阀门出口流场更均匀, 对阀门的气动

性能未产生不利影响。

关键词: 调节阀; 消音槽; 空腔; 分流板

中图分类号: TM623． 4; TK264． 9　 　 　 　 　 文献标识码: A　 　 　 　 　 文章编号: 1001-9006(2016)02-0078-07

Numerical Study on Flow Characteristics for High PressureControl Valve of Large Power Nuclear Steam Turbine

ZHONG Zhuhai, JIANG Shengke( Dongfang Turbine Co．, Ltd., 618000, Deyang, Sichuan, China)

Abstract: By using the commercial computational flow dynamics software CFX, this paper presents how the flow characteristics inside

the high pressure control valve of large capacity nuclear steam turbine are structurally affected by muffle, vale disc chamber and splitter

plate in the turbine. The results show that the muffle and the chamber had significant influcence on the flow field of the control valve

while splitter plate is of little influence. When the valves are in Fully Open condition, the total pressure loss tended to remarkably

increase due to existence of the muffle in valve seat, causing reduction of the critical flow coefficient. The valve disc chamber has less

effect on the total pressure loss and critical flow coefficient, but it does ipmrove the flow field uniformity of cavitation region. In

partially open condition, the existence of muffle causes reduction of the critical flow coefficient, but has little influence on pressure

loss, while the valve disc chamber improves the flow field uniformity of cavitation region, which is in favor of stability of the valve. The

splitter plate is helpful for creating a more even flow field at valve outlet, which does not have any negative impact on aerodynamics

performance．

Key words: control valve; muffle; chamber; splitter plate

　 收稿日期: 2015-09-11　 作者简介: 钟主海(1985-), 男, 2012 年毕业于西安交通大学热能工程专业, 工学硕士, 工程师。 现在东方电气东方汽轮机有限公司从事

汽轮机的设计研发工作。

　 　 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% [1], 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[2]。 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[3] 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[4]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

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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[5 - 6]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[7] 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[8]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[9] 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[10] 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:

■L = LDn

(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

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(a) 三维网格示意图

(b) 来流截面网格示意图

图 4　 核电阀网格划分示意图

　 　 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。

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:

ζ =p总in - p总out

p总in(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:

ξ = GGc

(3)

Gc = Fc kP0

v02

k + 1( )(k+1) / (k-1)

(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, v0 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

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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。

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。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,

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　 核电调节阀气动特性模拟结果

编号全开 部分负荷

相对升程 压比 总压损失(1) 临界流量系数(2) 相对升程 压比 总压损失(3) 临界流量系数 (4)

核电阀门(a) 43% 0． 97 1 1 18% 0． 56 1 1

核电阀门(b) 43% 0． 97 1． 12 0． 63 18% 0． 56 1． 001 0． 55

核电阀门(c) 43% 0． 97 1． 12 0． 63 18% 0． 56 1． 001 0． 55

　 　 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

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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

276 m / s 降低至 231 m / 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　 核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 1 006 m / s 降低至

845 m / 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

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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 10 m / 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, 这与文献[6]的结论一致。

(a) 无分流板

(b) 带分流板

图 8　 核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

编号 相对升程 压比 总压损失(1)

核电阀无分流板 43% 0． 97 1

核电阀带分流板 43% 0． 97 1． 008　 　 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

(a) 无分流板

(b) 带分流板

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． 9 m / s

增加至 231． 1 m / 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。

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。

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(a) 无分流板

(b) 带分流板

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% )

参考文献:[1] 王明军 ． 汽轮机高压调节阀流动特性研究[D]． 西安: 西安交

通大学能源与动力工程学院, 2006

[2] 郑绍臣, 高福升. 汽轮机调速汽门阀杆断裂原因及结构改进

[J] . 中国电力, 1996, 29(10): 63-65

[3] 徐克鹏, 蔡虎, 崔永强, 等. 大型汽轮机主汽调节阀的实验

与数值分析[J] . 动力工程, 2003, 23(6): 2785-2789, 2794

[4] Hardin J, Kushner F, Koester S． Elimination of flow- induced

instability from steam turbine control valves． Proceeding of the 32nd

turbomachniery symposium[C]． America: 2003: 99-109

[5] 相晓伟, 毛靖儒, 孙弼 ． 汽轮机调节阀通流及损失特性研究

[J]． 西安交通大学学报, 2006, 40(7): 762-766

[6] 相晓伟, 毛靖儒, 孙弼 ． 汽轮机调节阀全工况三维流场特性

的数值研究[J], 西安交通大学学报, 2006, 40(3): 289-293

[7] Engeda A． Performance Study and Instability Analysis of Steam

Turbine Control Valve [ C] ． Proceedings of ASME Turbo Expo

2012, GT2012-68740

[8] 王平子 ． 一种工作可靠阻力低的汽轮机卸载调节阀[ J]． 东方

电气评论, 1996, 10(2): 73-79

[9] 孔祥林, 黄元东 ． 核电阀门消音座在稳定运行中对流场的影响

[J]． 东方汽轮机, 2013 (4): 16-20

[10] 张大霁, 徐其福, 刘辉, 等 ． 前苏联 20 万千瓦汽轮机高压

调节阀振动原因分析及改进措施[J]． 汽轮机技术, 2000, 42

(6): 379-381

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■■集团要闻

李克强总理视察东方电气　 寄语 “要争做中国的 GE”4 月 25 日, 李克强总理考察东方电气集团总部。 在参观东方电气科技展示厅装备制造展区和东方电

气中央研究院时, 两次寄语东方电气要打造中国真正的 GE。在集团展厅, 他详询核电、 水电等装备研发制造及 “走出去” 情况。 在燃料电池等实验室, 对燃料

电池的安全性和经济性进行了详细询问, 了解了前瞻性技术研发进展, 鼓励科研人员将世界最优秀成果

吸收进来 “为我所用”, 做好集成创新和原始创新。 在全钒液流储能电池实验室, 总理还对提高能量存储

密度, 降低电池体积提出了建议。来源： 东方电气网

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■■媒体新闻

我国最高水平 350 MW 空冷汽轮发电机在东方电气研制成功

日前, 由东方电气集团完全自主开发研制的 350 兆瓦空冷汽轮发电机完成厂内真机型式试验, 经过转

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世界先进水平的大容量空冷汽轮发电机在东方电气研制成功, 标志着该公司在发电机研发领域又达到了

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