斜瓣式止回閥啟閉過程的動態(tài)特性分析

姚懷宇 汝 強(qiáng) 徐毅翔 錢錦遠(yuǎn) 金志江

（1.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所；2.中核蘇閥科技實業(yè)股份有限公司）

一種常規(guī)的大口徑斜瓣式止回閥因具有口徑較大、流阻較小、開啟壓力小及密封性能好等優(yōu)點，成為先進(jìn)壓水堆用止回閥常用的關(guān)鍵設(shè)備之一［1］。 該結(jié)構(gòu)的止回閥用于保護(hù)核電站中的汽輪機(jī)設(shè)備，防止管道內(nèi)蒸汽倒流、保障系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。 目前，這種結(jié)構(gòu)的斜瓣式止回閥尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化，購買和維修成本較高，阻礙了我國核電事業(yè)的發(fā)展［2，3］。

對于此種結(jié)構(gòu)的斜瓣式止回閥，岳陽和劉寶軍分析了其使用特性，認(rèn)為斜瓣式止回閥采用低流阻流線型設(shè)計，整體流體阻力較小，提高了閥瓣開啟力，對閥體進(jìn)行強(qiáng)度校核后，結(jié)果合格［4］。Gao Z X等模擬分析了此種結(jié)構(gòu)斜瓣式止回閥在開啟過程中閥瓣的運動規(guī)律，并與旋啟式止回閥對比，發(fā)現(xiàn)斜瓣式止回閥在最大開度處會產(chǎn)生些許振蕩，而旋啟式止回閥開啟過程較穩(wěn)定［5］。閥瓣在斜瓣式止回閥啟閉過程中起到關(guān)鍵作用，因此其工作狀態(tài)和受力特性是影響閥門正常工作的重要因素之一。 奚偉永分析了DN900 mm的止回閥閥瓣產(chǎn)生裂紋的原因，指出是因為入口流量太小導(dǎo)致閥瓣與閥座頻繁碰撞所致，通過減小閥瓣的開啟扭矩解決了碰撞問題［6］。 王沁宇分析了止回閥的閥瓣與搖臂連接處存在撞擊凹痕的原因，指出流量存在波動， 導(dǎo)致閥瓣反復(fù)撞擊閥腔，將閥瓣設(shè)計成內(nèi)凹型可改善該問題［7］。 McElhaney K L通過分析閥門的故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 確認(rèn)了止回閥的操作條件是影響其性能的兩個重要因素之一［8］。

隨著CFD軟件的不斷發(fā)展， 動網(wǎng)格技術(shù)在模擬閥內(nèi)瞬態(tài)流場變化中取得了很好的效果，模擬結(jié)果與試驗值的差距也在逐漸縮小。 陳志杰等利用Fluent動網(wǎng)格技術(shù)模擬了核級止回閥在不同工況下的閥瓣開啟高度曲線，與試驗值對比后發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果穩(wěn)定可靠［9］。 張希恒等利用動網(wǎng)格技術(shù)模擬止回閥在啟閉過程中的瞬態(tài)變化，得到壓力場、速度場和閥瓣運動的變化規(guī)律［10］。 Kim Nam-Seok和Jeong Yong-Hoon比較了4種CFD動網(wǎng)格技術(shù)在模擬止回閥關(guān)閉過程的效果并通過實驗驗證，發(fā)現(xiàn)在模擬止回閥關(guān)閉時動態(tài)特性上均取得了很好的效果［11］。

因此，對止回閥閥瓣的動態(tài)性能進(jìn)行研究有助于了解止回閥的運動機(jī)理， 以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高止回閥的整體性能。 由于斜瓣式止回閥的工作原理是由流體介質(zhì)作用力控制閥瓣的運動，因此工況條件對止回閥的性能和閥瓣的壽命影響較大。 筆者利用CFD軟件和動網(wǎng)格技術(shù)模擬不同工況下的大口徑斜瓣式止回閥的開啟和關(guān)閉過程， 分析斜瓣式止回閥的動態(tài)響應(yīng)特性，最后在流體壓力、溫度和閥瓣質(zhì)量不變的前提下研究閥瓣不與閥座相碰撞的最小流量，該研究對斜瓣式止回閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計和國產(chǎn)化具有一定的參考意義。

1 計算模型

1.1 幾何模型與流道模型

斜瓣式止回閥的剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示， 主要包括閥體、閥瓣、推桿、彈簧和轉(zhuǎn)軸，其工作原理與旋啟式止回閥類似。 關(guān)閉狀態(tài)下（圖1a）閥瓣在重力和彈簧預(yù)緊力的作用下與閥體形成錐面密封，此時閥瓣與豎直方向的夾角為30°，止回閥左側(cè)為進(jìn)口，右側(cè)為出口。 當(dāng)流體對閥瓣的作用力矩大于閥瓣的重力矩時，流體推動閥瓣繞轉(zhuǎn)軸逆時針旋轉(zhuǎn)，止回閥打開，直到最大開度。 最大開度狀態(tài)下（圖1b）閥瓣與豎直方向的夾角為80°。 當(dāng)流體對閥瓣的作用力矩?zé)o法克服閥瓣的重力矩時，閥瓣順時針運動，與閥體再次形成密封，防止流體倒流。

圖1 斜瓣式止回閥幾何模型的剖面視圖

為了便于模擬計算，對斜瓣式止回閥的幾何模型進(jìn)行簡化。 略去止回閥中對流體流動影響不大的推桿和彈簧，并省略較小的過渡圓角。 為了使流體的進(jìn)、出口流動趨于穩(wěn)定，使其符合實際情況，在簡化后的幾何模型中加入進(jìn)、出口管道，使計算結(jié)果盡可能準(zhǔn)確。 進(jìn)、出口管道長度分別為內(nèi)徑的5倍和10倍。

將閥瓣繞轉(zhuǎn)軸逆時針打開3°， 抽出止回閥的流道模型，如圖2所示。 由于模型具有對稱性，為了減小計算量，取出流道模型的一半進(jìn)行求解。

圖2 斜瓣式止回閥的流道模型

1.2 流道網(wǎng)格模型

為了減小計算量，提高計算精度，對流道模型進(jìn)行離散時采用混合網(wǎng)格。 流道模型被分為2個部分：閥體與閥芯等部件結(jié)構(gòu)不規(guī)則，因此采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散；進(jìn)、出口管道形狀規(guī)則，采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行離散。 為提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將閥座與閥瓣之間的間隙及尺寸較小的結(jié)構(gòu)突變處等結(jié)構(gòu)復(fù)雜處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，并且在壁面處設(shè)置邊界層，使流道壁面的Y+值在合適的范圍內(nèi)。 流道模型離散后的網(wǎng)格模型如圖3所示，劃分的網(wǎng)格單元數(shù)量為1 672 064。

圖3 斜瓣式止回閥的流道網(wǎng)格模型

1.3 邊界條件和求解模型

針對3種不同比例的熱耗率驗收工況（THA工況）條件，分別對斜瓣式止回閥進(jìn)行模擬，各運行工況的具體參數(shù)見表1。 止回閥內(nèi)的流動介質(zhì)為水蒸氣。

表1 止回閥運行工況

考慮到流體在流動過程中的可壓縮性和粘性，采用Fluent中基于密度的求解器，并利用能量方程模型和Realizable k-ε湍流模型求解止回閥內(nèi)的流場參數(shù)。 流體參數(shù)采用水蒸氣的理想氣體模型得到。

在模擬止回閥開啟過程時，將流道進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件，流道出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。 在模擬止回閥關(guān)閉過程時，將流道進(jìn)口設(shè)置為壓力出口邊界條件，流道出口設(shè)置為流量進(jìn)口邊界條件，涉及到的具體值參見表1。

1.4 運動模型

在止回閥閥瓣的運動過程中， 為了簡化模型，減少計算量，將作用在閥瓣上的彈簧力、浮力和閥瓣與轉(zhuǎn)軸的摩擦力略去不考慮，因此旋啟式止回閥閥瓣是在流體力矩和重力矩的作用下繞中心軸做旋轉(zhuǎn)運動，其運動方程如下：

其中，MS為流體對閥瓣作用的總力矩， 朝開啟方向逆時針轉(zhuǎn)動為正；MG為閥瓣的重力矩，朝關(guān)閉方向順時針轉(zhuǎn)動為正；I為閥瓣的轉(zhuǎn)動慣量；θ為閥瓣與豎直方向的夾角，取值范圍為33～80°。

在動網(wǎng)格設(shè)置中， 將閥瓣區(qū)域設(shè)置為動區(qū)域，將對稱面設(shè)置為變形區(qū)域，利用用戶自定義函數(shù)（UDF）對閥瓣的運動進(jìn)行定義。

2 閥瓣的啟閉運動狀況分析

2.1 閥瓣的啟閉轉(zhuǎn)矩變化分析

止回閥閥瓣在不同啟閉工況下的轉(zhuǎn)矩變化如圖4所示，對應(yīng)的參數(shù)值見表2。 100%THA工況的關(guān)閉時間約為開啟時間的1.67倍， 且差距大于其他工況；50%THA工況的關(guān)閉時間與開啟時間的差值最?。?00%THA工況的開啟延遲、 開啟時間、關(guān)閉延遲和關(guān)閉時間均短于其余工況。

圖4 閥瓣轉(zhuǎn)矩隨時間的變化趨勢

表2 不同工況下的啟閉過程參數(shù)值

3種不同THA工況下閥瓣受到的轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律類似。 在閥瓣開啟初期，由于流體流動不夠穩(wěn)定，閥瓣受到的轉(zhuǎn)矩變化較為頻繁；隨著閥瓣開度的增加，閥瓣轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，在最大開度時接近最小值。 隨著工況參數(shù)的增大，閥瓣最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的開度也緩慢增大，分別為35.0、36.4、39.0°。閥瓣在關(guān)閉時的轉(zhuǎn)矩變化比開啟過程要更穩(wěn)定，趨勢近似為平穩(wěn)增大，在關(guān)閉初期的轉(zhuǎn)矩為最小值，在最小開度時達(dá)到最大。 這使得閥瓣關(guān)閉過程的平均運動速度小于開啟過程。 因此，即使關(guān)閉過程閥瓣所受到的力矩為重力矩和流體力矩之和，50%THA和100%THA工況下的最大關(guān)閉轉(zhuǎn)矩大于最大開啟轉(zhuǎn)矩，但所有工況下的關(guān)閉時間均大于開啟時間。

最大轉(zhuǎn)矩見表2，50%THA工況下的最大開啟轉(zhuǎn)矩與30%THA工況類似， 但最大關(guān)閉轉(zhuǎn)矩約為30%THA工況的2倍。 100%THA工況下的最大開啟轉(zhuǎn)矩約為30%THA工況的5倍，而其最大關(guān)閉轉(zhuǎn)矩約為30%THA工況的9倍，約為50%THA工況的5倍。 低于50%THA工況下，增加流體流量和壓力對閥瓣的開啟運動速度、 開啟時間的提升較小，對關(guān)閉運動速度、 關(guān)閉時間的提升效果更顯著；高于50%THA工況下， 對開啟過程和關(guān)閉過程的提升效果類似。

2.2 閥瓣的運動角變化分析

圖5為啟閉過程中閥瓣運動角隨時間的變化趨勢，由此可得30%THA、50%THA和100%THA工況下的最大開啟角速度分別為6.785、7.806、15.880（°）/s，最大關(guān)閉角速度分別為6.460、9.030、18.520（°）/s。 30%THA工況下的最大開啟角速度與關(guān)閉時的近似相等，但在50%THA和100%THA工況下，由于流體流量和壓力的增加使運動初始時刻的加速度較大， 即使總運動時間在減少，平均運動速度也大于30%THA工況， 因此這兩個工況下的最大關(guān)閉角速度大于最大開啟角速度。 即使關(guān)閉時的運動為流體力矩和重力矩的共同作用，但在流體流量和壓力較小的工況下，流體的最大關(guān)閉角速度會小于最大開啟角速度。

圖5 閥瓣的運動角隨時間的變化趨勢

因為不同工況下閥瓣轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律類似，所以閥瓣運動角隨時間的變化規(guī)律也類似，均為拋物線型增加或減小， 最小值均在運動初始時刻，最大值均在運動截止時刻。 閥瓣的角速度絕對值變化趨勢與曲線的切線變化趨勢相同，近似為線性增加。

2.3 閥瓣的最大壓力值變化分析

圖6為啟閉過程中閥瓣的最大壓力值隨運動角的變化趨勢，30%THA、50%THA和100%THA工況下最大開啟壓力為121 042、125 192、194 300 Pa，最大關(guān)閉壓力為108 796、114 686、168 299 Pa。 對所有的工況，最大關(guān)閉壓力均小于最大開啟壓力，100%THA工況下的差值最大。

圖6 閥瓣的最大壓力值隨運動角的變化趨勢

閥瓣的轉(zhuǎn)矩是由閥瓣上微元區(qū)域的壓力值乘以該微元面積在整個閥瓣底面上積分得到。 對比圖4、6可知， 最大壓力值的變化趨勢與閥瓣轉(zhuǎn)矩的變化趨勢不同，THA工況不同時， 會有所區(qū)別。 以50%THA工況下的閥瓣底面壓力分布變化為例，如圖7所示，其余工況下的壓力變化趨勢大致相同。

圖7 50%THA工況下不同開啟角度下閥瓣底面所受壓力分布狀況

在50%THA和100%THA工況時，在開啟運動的初始時刻，閥瓣的開口較小，流體的最大壓力較小， 但此時流體較大壓力的分布面積較廣，平均壓力較大，因此轉(zhuǎn)矩較大，如圖7a所示；隨著閥瓣開度的增加，流體較大壓力的分布面積逐漸變小，這時流體的直接沖擊面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚y瓣的邊緣薄圓柱面區(qū)域。 由于此處的作用面積較小，引起了局部高壓力，因此閥瓣壓力逐漸增大，如圖7b～f所示。但由于最大壓力的分布面積逐漸減小，且最大壓力處與轉(zhuǎn)軸的距離變小，因此此時的轉(zhuǎn)矩逐漸減小。而在30%THA工況下，隨著閥瓣的開度逐漸增大，流動截面積在逐漸增大，流體的沖擊面積逐漸減小， 但流體的最大壓力在下降，其轉(zhuǎn)矩的減小幅度更大。原因在于，由于30%THA工況的流體流量和壓力較小，不足以克服隨著流動截面積的增加所帶來的流體流速的下降。

閥瓣在關(guān)閉過程中的最大流體壓力變化趨勢與開啟過程的變化趨勢相反，與閥瓣轉(zhuǎn)矩變化趨勢近似相同，均為逐漸增大。 由于最大壓力點到轉(zhuǎn)軸的距離在增大， 因此轉(zhuǎn)矩的變化速度更快。 關(guān)閉過程中，由于流體的流動方向與開啟過程時的相反，流體流動的軌跡也不相同，因此關(guān)閉過程在最大開度處的最大壓力小于開啟過程。隨著開度的減小， 流體的流動截面積在逐漸減小，流體壓力逐漸增加，因此閥瓣的最大壓力呈增長趨勢。

3 閥瓣的最小開啟流量分析

利用控制變量法研究在開啟過程中閥瓣不與閥座相碰撞的最小流量。 僅更改邊界條件中的入口流量條件， 流體壓力和流體溫度與30%THA工況時的保持一致。 將入口流量分別設(shè)置為4.680、4.824、5.112 t/h時， 閥瓣的運動情況如圖8所示。

圖8 不同入口流量下閥瓣開度隨時間的變化趨勢

當(dāng)流量為4.680 t/h時， 閥瓣經(jīng)過0.095 s后到達(dá)最大開度33.041°， 然后往回座方向運動，在0.182 s時閥瓣達(dá)到最小開度并與閥座相撞，之后閥瓣保持關(guān)閉，不再開啟，閥瓣在該過程受到的最大轉(zhuǎn)矩為6.562 N·m； 當(dāng)流量為4.824 t/h時，閥瓣經(jīng)過0.149 s后到達(dá)最大開度33.153°，然后閥瓣往回座方向運動，在0.304 s時閥瓣達(dá)到最小開度并與閥座相撞， 之后閥瓣在0.001 s內(nèi)又重新打開， 閥瓣在該過程受到的最大轉(zhuǎn)矩為15.752 N·m；當(dāng)流量為5.112 t/h時，閥瓣于0.18 s后到達(dá)最大開度33.376°，然后閥瓣往回座方向運動，在0.365 s時閥瓣達(dá)到最小開度33.037°， 未與閥座相撞，之后閥瓣繼續(xù)往最大開度的方向運動。

由此可知，在止回閥的運行過程中，為了避免止回閥閥瓣與閥座發(fā)生碰撞，最小流量應(yīng)當(dāng)在4.824～5.112 t/h之間， 流量約為30%THA工況的5%，即約為1.5%THA工況。

4 結(jié)論

4.1 增加工況參數(shù)的同時可以減少開啟和關(guān)閉時間、增加最大角速度、增大閥瓣受到的最大壓力。但對開啟過程，在低于50%THA工況下增加工況參數(shù)對閥瓣的轉(zhuǎn)矩、開啟時間、開啟運動角速度和閥瓣最大壓力的提升較?。?對關(guān)閉過程，不同工況下的提升效果類似。

4.2 所有工況的關(guān)閉時間均大于開啟時間；在流體流量和壓力較小的30%THA工況參數(shù)下， 流體的最大關(guān)閉運動角速度小于最大開啟運動角速度；所有工況的閥瓣最大關(guān)閉壓力均小于最大開啟壓力。 50%THA工況下的關(guān)閉參數(shù)與開啟參數(shù)的差值最小，其次是30%THA工況。 大于30%THA工況參數(shù)可以使關(guān)閉過程的最大運動角速度高于開啟過程。

4.3 在斜瓣式止回閥的使用過程中，為避免閥瓣與閥座出現(xiàn)反復(fù)碰撞的情況，應(yīng)當(dāng)避免止回閥管道的流量低于1.5%THA工況下的流量， 即大于5.112 t/h。