ap1000中一種新型梭式結(jié)構(gòu)核級高壓差開啟止回閥的設(shè)計(jì)

在第三代核電廠系統(tǒng)的ap10制暖度計(jì)算公司（pxs）上，重力注入管道中應(yīng)使用幾個(gè)減緩措施，以消除低壓差。這些電壓差的釋放（低致動(dòng)器壓力損失）被安裝在安全殼中，并應(yīng)用于儲存室內(nèi)氣泡儲存箱（irwt）的重力注入管的通道，以及連接到重力安排管的安全殼管道。目前低壓差開啟止回閥采用旋啟式結(jié)構(gòu)。在核電廠正常運(yùn)行期間,這些止回閥是關(guān)閉的,它的兩側(cè)基本上沒有壓差,當(dāng)主回路失水,導(dǎo)致壓力下降,止回閥兩側(cè)出現(xiàn)壓差的情況下,需要止回閥及時(shí)可靠地打開,完成安注。因此,對這些閥門在性能上有如下要求:在流動(dòng)條件和由于突然回流和回座的沖擊載荷影響下不易退化,閥門的運(yùn)動(dòng)部件不應(yīng)受到較為嚴(yán)重的磨損。止回閥如果使用不當(dāng)或沒有針對性設(shè)計(jì),會在管道系統(tǒng)中引起水擊,或因水擊產(chǎn)生破壞或失效。目前,國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對管道系統(tǒng)中的閥門、泵以及水擊現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)提出了軸流式止回閥的工作原理并進(jìn)行了初步分析。文獻(xiàn)運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對主蒸汽隔離閥進(jìn)行3維流場和溫度場分析,得出了流體湍流、噴注噪聲和接收喇叭噪聲、聲共振腔激勵(lì)與冷凝水汽蝕等聯(lián)合作用為引起管系振動(dòng)和閥門部件磨損主要原因的結(jié)論。文獻(xiàn)[6-7]運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent分別對大型汽輪機(jī)油渦輪、抽水蓄能電站泵進(jìn)行了3維模型的數(shù)值分析。Afshar等應(yīng)用隱式方法對水擊現(xiàn)象進(jìn)行模擬。Wahba在低雷諾數(shù)范圍應(yīng)用渦流模型對二相流水擊進(jìn)行數(shù)值模擬。王宏偉等對球形止回閥的水擊現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值仿真分析。王鑫等對壓水堆核電廠主給水管道水擊進(jìn)行計(jì)算和分析,發(fā)現(xiàn)在簡單的泵-閥系統(tǒng)關(guān)閉過程中,閥門和給水泵關(guān)緊時(shí)間對水擊形成有較大影響。從以上分析可得出:在泵和閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用數(shù)值仿真方法進(jìn)行流體力學(xué)分析已經(jīng)趨于成熟,但在閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面少有創(chuàng)新。針對核級低壓差開啟止回閥的特殊工況和技術(shù)要求,提出一種新型梭式結(jié)構(gòu)止回閥,以解決旋啟式止回閥因?yàn)殚y芯對閥座的沖擊作用不對稱,當(dāng)反向壓力高、流速快時(shí),容易產(chǎn)生水擊現(xiàn)象,閥芯與閥座直接撞擊,嚴(yán)重時(shí)引起密封面損壞和巨大噪聲等方面的不足,實(shí)現(xiàn)更可靠地保證其低壓差開啟能力,進(jìn)一步提高非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)重力安注的可靠性。并運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對梭式止回閥進(jìn)行了數(shù)值仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),減少了壓力損失。1彈簧的預(yù)緊力梭式止回閥基本型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要結(jié)構(gòu)零部件包括:閥體、閥芯、彈簧、支承架。流體利用自身的壓差,當(dāng)閥門左端壓力升高到足夠克服彈簧的預(yù)緊力時(shí),流體推動(dòng)閥芯向右運(yùn)動(dòng),此時(shí)閥門開啟,流體從左流向右。當(dāng)閥門右端壓力高時(shí),流體壓差與彈簧壓力作用方向一致,使閥芯與密封面結(jié)合,實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)閉。整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了流體的單向流動(dòng),達(dá)到止回閥的功能要求。其密封面為平面結(jié)構(gòu),能夠達(dá)到很好的密封效果。根據(jù)所需啟閉壓力不同,可改變彈簧的剛度和預(yù)緊力。梭式止回閥閥體與管道系統(tǒng)的連接方式一般采用焊接與法蘭2種,對小口徑梭式止回閥可采用螺紋連接。2數(shù)值模擬方法2.1可壓縮流體湍流模型梭式止回閥內(nèi)部的流場只需求出邊界條件和初始條件的統(tǒng)計(jì)平均量,所以采用Reynolds平均數(shù)值模擬。把湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)看作是由時(shí)均運(yùn)動(dòng)與隨機(jī)脈動(dòng)的疊加,按照Reynolds所提出的平均法,在瞬態(tài)下對流體的連續(xù)性方程與運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行平均時(shí)間處理,獲得湍流時(shí)均控制方程:為了方便起見,除脈動(dòng)值的時(shí)均值外,去掉表示時(shí)均值的上劃線符號“-”,不可壓縮流體的湍流控制方程組則可寫成:連續(xù)性方程:運(yùn)動(dòng)方程:式(3)和(4)分別為時(shí)均運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程。由于采用了Reynolds平均法,式(4)也被稱為雷諾方程?？梢钥吹脚c運(yùn)動(dòng)方程相比,雷諾方程中多出了與脈動(dòng)量有關(guān)的項(xiàng),此項(xiàng)被稱為雷諾應(yīng)力,即:式中,由于對稱性,tij事實(shí)上對應(yīng)了3個(gè)雷諾正應(yīng)力項(xiàng)和3個(gè)雷諾切應(yīng)力項(xiàng)。由式(3)和(4)構(gòu)成的方程組是由共含有10個(gè)未知量的4個(gè)方程組成,稱為不可壓縮流體湍流時(shí)均運(yùn)動(dòng)控制組,由于方程組中出現(xiàn)了與湍流脈動(dòng)值相關(guān)的6個(gè)雷諾應(yīng)力項(xiàng)才導(dǎo)致湍流時(shí)均運(yùn)動(dòng)控制方程組不封閉。只有對雷諾應(yīng)力進(jìn)行某些形式的假定,即通過建立聯(lián)系湍流時(shí)均值和脈動(dòng)值之間的應(yīng)力表達(dá)關(guān)系式,才能使方程組完全封閉。以某些假定為基礎(chǔ)所得到的湍流控制方程組,就是湍流模型。根據(jù)假定形式的不同,當(dāng)前最常使用的湍流模型被分為2大類,分別是湍動(dòng)黏度類和雷諾應(yīng)力類。應(yīng)用的湍流模型就是在湍動(dòng)黏度模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來的k-ε模型,把湍動(dòng)黏度、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率聯(lián)系在一起。在模型中,k表示湍動(dòng)能;ε表示湍動(dòng)能耗散率,定義式為:μt則表示成k和ε的函數(shù)為:式中,Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中,根據(jù)Launder等推薦值及后來的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,模型中的參數(shù)取值,如表1所示。當(dāng)為不可壓縮流體流動(dòng),且不考慮用戶定義的源項(xiàng)時(shí),Gb=0,YM=0,Sk=0,Sε=0,從而有:即為不可壓縮流體流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程。2.2k-模型及斷裂器簡介對梭式止回閥采用了多種網(wǎng)格劃分進(jìn)行試算,表2所示為經(jīng)過試算初選后確定的2種方案。綜合考慮精度和計(jì)算量,最后確定采用流速變化趨勢較一致,偏差較小,計(jì)算時(shí)間適中的方案1作為最終的網(wǎng)格劃分方案。流體介質(zhì)的主要仿真參數(shù)設(shè)置為:流體介質(zhì)為水,流速為2m/s,采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流k-ε模型,無滑移邊界條件,閥體內(nèi)壁為wall,流體介質(zhì)設(shè)為不可壓縮常參數(shù)模型,密度為998.2kg/m3,動(dòng)力黏度為0.001003Pa/s,體積模量為2.2×109Pa,初始壓力為240000Pa,重力加速度g為9.8m2/s。止回閥結(jié)構(gòu)模型的主要參數(shù)設(shè)置為:1)閥門通徑為DN100,閥芯材料為各向同性線彈性材料,彈性模量2×1011Pa,泊松比為0.3,密度為7800kg/m3。2)彈簧定義為拉壓式螺旋彈簧,其剛度k=720N/m,初始壓縮量x0=12mm,止回閥設(shè)計(jì)開啟壓力為0.017MPa。3)閥芯最大位移為20mm,自由度為x,在其后20.5mm處定義一個(gè)全約束的接觸,接觸間隙ζ0=0.5mm。4)定義彈簧為一個(gè)獨(dú)立單元,閥芯和接觸均劃分為4節(jié)點(diǎn)單元,和流體接觸的邊界定義為FSI。3程序啟動(dòng)后的仿真分析分別對梭式止回閥的開啟、關(guān)閉動(dòng)態(tài)過程和處于不同開度時(shí)的靜態(tài)過程進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)仿真分析,這里僅詳細(xì)介紹開啟動(dòng)態(tài)過程的仿真結(jié)果與分析。3.1閥口與閥口兩端壓差作用,主要發(fā)生在閥口作出DN100梭式止回閥在開啟過程中不同時(shí)刻的速度矢量圖,如圖2、3所示分別為0.06、0.1s時(shí)的速度矢量圖。1)由圖2可以看出,閥門在壓力達(dá)到0.021MPa時(shí)開啟,剛開啟瞬間,由于開度很小,在兩端壓差作用下,流體在閥口附近速度較大,流速為水平方向,且最大流速為6.559m/s,可能引發(fā)噴流噪聲。2)如圖2、3所示,閥門在開啟過程中,閥口處的流速較大,這是由于閥口的形狀使得流體流經(jīng)此處時(shí),流動(dòng)方向發(fā)生較大變化,由此產(chǎn)生一定的能量損失;隨著開度的增大,閥芯前面、兩側(cè)、支承架后端以及內(nèi)壁拐角處均出現(xiàn)了明顯的低速區(qū)。閥芯導(dǎo)向桿后面的低速區(qū)是由于支承架的倒流作用所形成的;閥芯圓周處的流體流速較大,且流動(dòng)方向垂直于閥內(nèi)壁,會產(chǎn)生沖擊噪聲;由閥芯和支承架所圍成的半封閉腔體,隨著閥芯移動(dòng),腔體內(nèi)流體受到壓縮,形成漩渦并集中在閥芯背后,與拐角處的流體會相互作用,使拐角處的湍動(dòng)更加劇烈。3.2流道折彎時(shí)閥芯內(nèi)部的流場分布由圖4可以看出,在0.1s時(shí)刻,流體正面沖擊閥芯中央?yún)^(qū)域,再加上此時(shí)閥門開度較大,彈簧受壓大,閥芯速度較小,因此受到流體的沖擊最大,此時(shí)的最大壓力244309Pa,位于閥芯最前端的節(jié)點(diǎn)205處;上拐角處的低壓區(qū)是由于流道的折彎作用,流速最大,周圍的流體來不及補(bǔ)充,出現(xiàn)了最低壓力區(qū),同時(shí)閥芯的導(dǎo)流作用,使得此處的高射流垂直沖擊閥內(nèi)壁,導(dǎo)致了A處高壓區(qū);B處的低壓區(qū)是由流速方向突變,一部分流體流速變大,一部分流體脫流所形成的;拐角處的壓力分布較為復(fù)雜,壓力突變區(qū)域較多,流動(dòng)狀態(tài)極不穩(wěn)定,并且流體沖擊閥芯和閥內(nèi)壁,容易產(chǎn)生沖擊噪聲。4采用手動(dòng)中斷結(jié)構(gòu)分析方案4.1承架增設(shè)泄流孔閥門開啟過程中,當(dāng)開度較小時(shí),閥芯與支承架之間間隙較大,支承架對流動(dòng)的阻礙作用明顯。隨著開度逐漸增大,閥芯與支承架之間的流體被擠出,從而產(chǎn)生渦流,影響閥口處的流動(dòng);在關(guān)閉過程中,閥芯與支承架之間的間隙逐漸增大,如果關(guān)閉時(shí)間較短,則可能產(chǎn)生負(fù)壓,引起渦流。因此有必要在支承架上增設(shè)泄流孔,使閥芯與支承架之間的流體在啟閉過程中與主流道連通,減少渦流產(chǎn)生。如圖5所示,在支承架的錐形面靠近中心孔處增設(shè)軸線與支承架軸線平行的環(huán)形孔,可以使流體直接流向閥門出口,使泄流孔流出的流體運(yùn)動(dòng)方向與主流道流體運(yùn)動(dòng)方向一致。以DN100止回閥為例,選取支承架優(yōu)化前、后閥門在開啟過程中0.053s時(shí)刻對應(yīng)的位置進(jìn)行分析,此時(shí)閥門開度為12.4mm,分別作出速度矢量圖、速度云圖(如圖6、7)。流速的最大值均位于閥芯尖角處,優(yōu)化前閥的最大流速為8.704m/s,優(yōu)化后的最大流速為6.087m/s,減小了30%;閥門拐角處上下的流動(dòng)分離區(qū)域均減小,減小了開啟時(shí)的能量損失。同時(shí),湍動(dòng)能較大區(qū)域均位于直角拐角處附近,優(yōu)化后的湍動(dòng)能分布值整體下降,強(qiáng)脈動(dòng)區(qū)域的最大湍動(dòng)能為0.3266m2/s2,較優(yōu)化前的0.6162m2/s2降低了47%,由此可見增設(shè)泄流孔后,流體受到的阻力減小。4.2減少管道直徑突變程度,減輕能量損失管徑突變將會使管道內(nèi)湍流程度增加,造成能量損失,因此減小管道直徑的突變程度,可以減小能量損失。將閥口前段的縮徑去除,減少了管徑突變,流道優(yōu)化前后的速度云圖,如圖8所示。4.3閥芯迎流端面的優(yōu)化梭閥由于其自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),靜態(tài)工作時(shí)閥芯處于閥內(nèi)腔中央位置,對流體的阻力很大,因此對閥芯迎流端面進(jìn)行優(yōu)化,對減小能量損失,提高閥門工作性能具有非常重要的作用。閥芯優(yōu)化方案如圖9所示,將閥芯大端面加工成外弧圓周面,這樣閥芯可以將匯聚的流體沿圓周方向分開,減少正面沖擊時(shí)的能量損失。4.4閥芯受力分析上述優(yōu)化方案是對梭式止回閥所存在的問題,進(jìn)行單一要素的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析,把這些優(yōu)化方案綜合起來進(jìn)行分析,以確定最佳的優(yōu)化效果。在開啟過程中,優(yōu)化后的閥門當(dāng)工作在穩(wěn)定流量1500L/min時(shí),其壓力損失為30760Pa,較優(yōu)化前38954Pa減小了21%;靜態(tài)工作時(shí),優(yōu)化前所受阻力為43.6N,優(yōu)化后減小為40.2N,閥芯所受流體的沖擊力由40.83N減小至35.2N。由表3可見,優(yōu)化后閥門在靜態(tài)工作時(shí),閥口處的最大壓力為250211Pa,相對優(yōu)化前減小了3597Pa,最小壓力為125929Pa,比優(yōu)化前增大了36.4%,優(yōu)化后閥口處的壓力分布較優(yōu)化前均勻,且最大湍動(dòng)能降低,降低了湍流脈動(dòng)噪聲。優(yōu)化后在不改變彈簧剛度和預(yù)緊力條件下,閥芯的開啟時(shí)間由0.107s減小到了0.098s;關(guān)閉時(shí)間較優(yōu)化前延后,可以更有效的減少水擊造成的閥芯損壞、管道破裂、水擊噪聲等現(xiàn)象。圖10為優(yōu)化后的DN100梭式止回閥產(chǎn)品。5d100仿真分析針對旋啟式止回閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合核級低壓差開啟止回閥的特殊應(yīng)用工況,提出的新型梭式止回閥的結(jié)構(gòu)為整體結(jié)構(gòu),相對旋啟式止回閥,梭式結(jié)構(gòu)更能夠保證一次壓力邊界的完整性。1)