2.3 热结构藕合结果与分析

阀门实际作业处于温度场和压力场的共同作用，热应力是由于温度场变化引起的，当阀门突然受到高温介质作用时，会产生热膨胀，其表现为温度差导致单元体的膨胀或缩小从而产生应力;压应力则是超临界蒸汽对内部结构施加的力。采用有限元热结构序贯藕合分析方法，对阀门装配件进行热分析得到温度场分布，将温度场作为结构分析的载荷边界条件输入进行热结构藕合分析。

图5a为二次再热减温水调节阀的温度场分布，阀门腔体温度基本与介质温度相当，由内部向外扩散。由于阀门各部件换热系数不同，其热量交换也不同，分布情况基本与热力学理论相符。图5b则为温度分布不均而产生的热应力云图，最大应力发生在阀体出口低压腔腔道相贯处，最大集中应力为222.5 MPa。这说明在阀门开启后，进口腔突然被高温蒸汽加热，而在出口腔中蒸汽突然与高压减温水相遇，由于结构和材料的复杂性，阀体局部温度梯度会很大，局部热应力也会达到极大值。

图5 二次再热减温水调节阀温度场和热应力云图

图6为对阀门装配体在高温、高压载荷作用下的静态热结构藕合分析应力云图。由图可知，阀门最大应力出现在阀盖与螺栓的接触孔上，其值为214 MPa ;

阀体的最大应力则出现在出口腔的下侧外圈相贯处，这说明阀门实际工作中，热应力所产生的作用较大，阀门出口处气流扰动剧烈，温升快，而且应力、应变也较大，最大应力为184 MPa，安全系数大于2.4，同样满足强度校核评定。热结构藕合分析所得阀体上的最大应力要比温度场引起的热应力小，主要原因是温度载荷和压力载荷所引起的应力叠加效应的缘故。

3 二次再热减温水调节阀流场分析

3.1 有限元流场模型建立

利用有限元CFD对阀门在不同开度工况下进行数值仿真，不仅能够得到阀门流量特性参数，还可以直观地反映流道内的压力、速度及流动情况，以研究最容易发生汽蚀的阀门开度以及迷宫片形式，为改进迷宫片结构指明方向。该阀采用迷宫式芯包多级降压原理，通过强制介质流经一系列的直角弯道使流速得到完全的控制，达到逐级降压的目的。流道分为3部分:进口段、出口段和芯包，其中芯包由4种形式迷宫片相互错叠组成，流道整体三维模型如图7a所示。

图6 二次再热减温水调节阀热结构祸合应力云图

图7 二次再热减温水调节阀流场分析前处理

利用ICEM软件对其进行网格划分，进口段采用非结构化网格，芯包和出口端为结构化网格，芯包部分最小网格质量0.85，网格划分如图7b所示。采用湍流k-e模型，进、出口边界条件均采用压力载荷，进口压力12. 5 MPa，出口压力7 MPa，压差5.5 MPa，动力豁度取1.44543 x 10^-4 Pa·s，分别对开度为30%,50% ,65% ,80%，100%建立几何模型进行分析。

3.2 流场结果与分析

以80%开度为例对阀门流场进行数值计算，采用对称截面分析阀门内部流场，以及各迷宫片横截面的流动特性。图8a~图8b分别为二次再热减温水调节阀截面的压力场和速度场分布图，图8a进口压力均匀，压降主要集中在芯包区域内，流场较稳定，压力呈梯度下降;从速度场图8b中可以看出，进口流速分布较均匀，当水流流至阀芯与阀座之间时，流通面积迅速减小，压力随之降低，而速度增大。

为进一步验证设计的合理性，对芯包部件中的迷宫盘流场进行分析。图9a~图9h为4种迷宫片压力场和速度场模拟结果。流体从进口流道流入芯包外围，在环形腔室的均压作用下，迷宫盘外圈圆周方向压力基本相同;高压流体从迷宫盘入口进入迷宫盘，流通面积骤减，压力开始下降，在拐角处降压更明显。速度场变化基本趋势也相同，在环形腔室圆周方向，由于各处距离进口流道位置不同，流速存在差异，最高流速产生在芯包最下层的迷宫盘Ⅳ中，局部流速达57m/s,考虑阀门安全因素，可能造成阀门冲刷失效，各层盘片中的最高流速均产生在流道出口处，流体流出迷宫片后在阀体内产生较大漩涡，使阀体内部总压降低。

C_v值，其中:K_v为流量系数;q_v为体积流量;∆_P为压力损失;P为流体密度。根据不同阀门开度模拟计算与试验流通能力值对比如表2，误差均在3%以内。

表2 不同阀门开度模拟与试验C_v值对比

4 结论

本研究利用有限元法对600 MW二次再热减温水调节阀整体结构进行强度校核，模拟了试验荷载和热结构藕合工况下的应力分布，同时进行CFD流场仿真，结果表明:

(1)试验荷载工况下阀体入口腔相贯处出现峰值应力集中，安全系数分别为2.5;热结构藕合工况下最大应力出现在出口腔下侧外圈，两者均符合阀门强度理论评定，材料选择合理;

(2)对不同开度工况下对阀门进行流场模拟，压降主要产生在芯包区域，芯包最下层的迷宫盘Ⅳ中局部流速最大，为易造成阀门冲刷失效的区域;阀门流动能力CV值与试验值误差在3%以内，节流降压效果明显，满足设计要求。