抗龙卷风冲击波阀阻力性能研究

汪义玲，杨志佳，王 飞，汪正洪

（1.南方风机股份有限公司，广东佛山 528200；2.中广核工程有限公司，广东深圳 518120）

0 引言

龙卷风或爆炸冲击事故一旦发生，就会对社会造成巨大负面影响，随着科技进步，各国对这类日益频发的偶然事故预防方式投入了较多的措施和研究。从2004年到2015年，中国平均每年因龙卷风造成的经济损失超5.4亿元［1］。龙卷风及冲夏季，海边易形成湿热的高温天气，为龙卷风的形成与发展提供了有利条件。中国海岸线总长度3.2万km，其中大陆海岸线1.8万km，岛屿海岸线1.4万km。沿大陆海岸线，有许多优良海湾和港口城市，自北而南是：大连、秦皇岛、天津、烟台、青岛、连云港、南通、上海、宁波、温州、福州、厦门、广州、湛江、北海等。这些城市，人口密度大，基础设施规模大，一旦发生龙卷风更易造成重大损失。在各国的建筑规范中一般不考虑龙卷风荷载，但是对于重要生命线工程，如核电站等，需要进行抗龙卷风设计。一旦发生核电站事故，往往会造成巨大的生命和财产损失，故对核电站抗龙卷风设计研究至关重要［2］。

我国关于核电厂抗龙卷风冲击波阀设计的研究甚少，也无相关的设计标准［3］。本文依托重要某生命线工程示范核电站项目需求，开展了国产化抗龙卷风冲击波阀的阻力性能研究。该核电站应用的大型抗龙卷冲击波风阀，数量及规格多，抗龙卷风阀的面积最小的0.36 m2，最大的到16 m2。抗龙卷风阀在无冲击波或龙卷风的状况下，具备正常通风功能，此时的阻力越小越好；在通风系统设计过程中也需要预算阀门的阻力值；本文通过改变抗龙卷风冲击波阀的阀芯数量，组合多种规格阀门，按阀门规格及标准选择好合适的风机、风管、压差计等测试装置对阀门开展阻力测试；预期通过测试结果能找出多规格阀门阻力值与风量之间的关系。

项目阀门的规格多且阀门面积大，全部测试有难度且需耗费大量的时间和财物，若研究出多规格阀门阻力值与风量之间的关系，有利于准确预算通风系统的水力扬程，后期建设项目中仅通过典型风阀样机开展试验验证预算结果，可大大缩短测试周期、降低测试成本。

1 抗龙卷风冲击波阀的阻力性能指标

抗龙卷风阀，同时也具备抗冲击波作用的，也叫抗龙卷风冲击波阀。抗冲击波风阀，主要应用在石化、人民防空、军事等领域。目前，在三代核电项目中也开始广泛应用，但核电厂所采用的抗龙卷风冲击波阀主要由国外供应商供货。国内关于核电厂抗龙卷风冲击波阀的设计研究几乎空白，也无相关的设计标准［3］。在核电站中的通风系统，抗龙卷风冲击波阀安装在通风系统进风口及排风口处的孔洞内，在核电站可能面临各种爆炸的危险冲击波或龙卷风情况下，迅速关闭，保证厂房和外界环境的有效隔离，从而避免造成人员伤害或设备损坏。正常情况下，阀叶处于阀体的正中间，气流通过四周的腔道流过，以维持房间的正常通风状态。本文研究的是正常通风状态下，抗龙卷风阀的阻力性能。

核电站采用的抗龙卷风冲击波阀具备抗双向冲击波的能力，主要由抗爆框架、预埋框架、角钢框架、多个阀芯和阀芯连接件构成，如图1所示，其中框架是用于安装和支撑核心部件阀芯的，需承受阀芯传递过来的巨大冲击力；阀门整体可以水平、垂直或其他角度平面安装。

图1 抗龙卷风冲击波阀结构图

抗双向冲击波的关键部件是阀芯，其工作原理如图2所示，图依次为正常通风状态、抵挡正压冲击波状态及负压龙卷风状态。正常通风状态阀叶处于阀体的中间；当外界发生爆炸冲击波时，阀叶会瞬间移动到常压侧端面，与阀体内侧紧密贴合，关闭气流通道，将冲击波抵挡在外侧，避免室内的人员和设备受到损伤，关闭时间小于或等于1.8 ms，冲击波过滤效率大于或等于99%；当外界发生龙卷风时，核电站的外侧会产生较大负压，此时抗龙卷风阀的阀叶会在内外压差的作用下迅速向负压侧移动，与阀体内侧紧密贴合，关闭气流通道，阻止室内的人或物受到巨大的吸力，龙卷风作用下关闭时间小于或等于500 ms；当冲击波或龙卷风消失后，阀叶自动恢复至阀体中间，保障正常通风功能。

图2 阀芯工作原理图

抗龙卷风冲击波阀绝大多数时间是正常通风功能，为减少正常通风状态下的能耗，核电站要求龙卷风阀门全开状态的局部阻力系数小于或等于10。流体流经阀门时，引起流速的分布发生变化，将产生较集中的能量损失，所产生的局部阻力与相应动压的比值即为阻力系数，其值为无量纲数，用于计算流体经过时受到的阻力，也是流体经过时的能量损失，压降计算公式为：

式中：ξ为阻力系数；ρ为介质密度；v为流经阀门的速度。

通过测试平台测出流体流经阀门前后的压降Δp、风速及气体密度，计算出不同风量下的阻力系数。局部阻力系数是阀门对应工作状态的固有属性，它不随风量的变化而变化，研究出该固有属性，在后期系统设计时可以直接评估风阀对气流的阻力。示范核电站项目的阀门数量、规格较多，且大型阀门偏多，对于大型阀门阻力测试，需要的测试平台大、工装也会很大，且工装需随阀门而变化，部分截面面积大于9 m2的巨型阀门，其测试难度大、涉及的费用极高。如何验证“全开状态的局部阻力系数小于或等于10”，也是本文研发的难点。

2 阻力性能验证

风阀的阻力性能可以采用分析法和试验法，本文采用测试典型规格样机的阻力性能，并对测试数据进行分析总结的方法开展研究。

2.1 试验方法

根据JG／T436－2014《建筑通风风量调节阀》“5.3.13阻力特性”的试验要求，试验装置符合《GB／T 1236工业通风机用标准化风道性能试验》的规定，测试装置如图3所示。按阀门规格选择好合适的风机、风管、压差计等装置，并连接好，用变频器调节风机转速，使风机的气动性能满足阀门阻力测试需求，在通过阀门的气流稳定后，测出大气压力pa，环境温度ta，干球温度td，相对湿度hu，喷嘴压差Δp；测出阀门前3D处的进口表压pe3，阀门前后的压差Δp1；每处分别测试3次。

图3 阀门阻力测试装置

测试数据的理论计算：

（2）根据公式v3＝qm／（A3·ρ3）求出风速v3（m／s）。

（3）由公式Δp2＝ξT·ρ3·v2／2求出阀门全开时的ξT。

拆去被测阀门，由上述试验方法测出管道的流阻系数ξ1，由ξT减去ξ1为阀门的流阻系数ξ。

阀门的流阻系数：ξ＝ξT－ξ1。

2.2 阀芯试验数据

抗龙卷风阀是由多个规格型号完全一致的阀芯组装而成，用于研究课题的阀芯，规格为390 mm×153 mm，截面积为0.059 67 m2，单个阀芯的阻力性能由第三方进行测试，其测试结果如图4所示。

图4 阀芯阻力测试结果

根据同济大学的测试结果，整理数据表。按能量损失计算公式Δp1＝ξ×（1／2）×ρ×v2，计算出单个阀芯的阻力系数ξ，如表1所示。表中阀芯截面风速v是按阀芯的最大外框面积计算的；若按阀芯内框的风速来算，v会更大，阻力系数ξ会变小；这里的阻力系数值是存在分歧的。

表1 试验阀芯的阻力系数ξ

2.3 典型样机试验数据

本文依托示范核电项目的抗龙卷风阀需求，项目的抗龙卷风阀数量多、规格多且大，鉴于试验平台及工装限制，试验选取的典型样机共4台，规格分别为：1个阀芯（不带框架）、3个阀芯（带框架）、6个阀芯（带框架）、10个阀芯（组合框架），分别进行阻力试验，试验数值如表2所示。

表2 抗龙卷风阀典型样机阻力测试结果

样机1的结构是单体阀芯，从表2可以看出，其测试结果与第三方出具的型式试验结果基本一致；测试结果表2反应出：带框架抗龙卷风阀的平均阻力系数ξ随阀芯数量增加而增加的，但平均阻力系数ξ与阀芯数量之间的关系不明确。

2.4 试验结果分析推导

表2试验结果显示：抗龙卷风阀的阻力系数ξ与框架结构、阀芯数量有关，但无规律可循，需对各种结构、规格分别测试，才可以预算系统的扬程损失。

由图1可知，抗龙卷风冲击波阀是由多个同性能的阀芯并联安装在固定框架上的，是并联管路通风系统。从能量平衡观点来看，单位流体通过任一并联分支的能量损失必然相等［4］。即并联的每个阀芯阻力损失是相同，求出单个阀芯的阻力，也就得到整个阀的阻力损失。

抗龙卷风阀使用场景的前后端面均不接管道，其局部损失远远大于沿程损失，属短管类通风系统，根据气流管路的气流能量方程得出［4］：

式中：Sp是设备或部件在气流管道中产生的阻抗，按公式求出型式样机阀芯的阻抗值Sp（表3）。

表3 阀芯的阻抗性能SP计算

根据气流并联管路的流动规律［4］：并联节点上的总流量为各支管中流量之和，即Q＝Q1＋Q2＋Q3＋…＋Qn；并联各支路上的能量损失相等，即Sp1×Q21＝Sp2×Q22＝Sp3×Q23＝…＝Spn×Q2n；由于抗龙卷风阀上并联的每个阀芯结构尺寸和制造工艺相同，则阀芯的阻抗值是相同的，即Sp1＝Sp2＝Sp3＝…＝Spn，则Q1＝Q2＝Q3＝…＝Qn＝Q／n。由多个阀芯并联组合的抗龙卷风阀，其阻抗推算规律如表4所示。

表4 并联阀芯的阀门阻力性能推算表

根据阀芯样机的阻抗系数，验算型式样机的阻力如表5所示，由于气流的不稳定性，且阀芯样机的阻抗值是各工况点的平均值，测试值与预算值会存在差异。表5中预算阻力与各样机实测点阻力偏差在15%以内的数据占比87.5%，偏差在10%以内的数据占比75%。

表5 用阻抗预算阀门阻力情况表

2.5 阻力性能分析结论

阀叶的前后移动、复位的工作原理，是受到的外部冲击力与支撑阀叶的弹力相互作用的结果；当通过阀芯的风速不稳定或风量过大时，在风速的冲击力下导致阀芯前后抖动，所以实际测试的阻力会存在偏差。

试验及分析结果标明：流经单个阀芯的风量越大，阀门的阻力值越高；对于多个同型号阀芯并联而成的组合阀门，只需测试单阀芯相同流量下的阻力即可得出整台阀门的阻力值；根据定型生产线上样机阀芯的性能，可以推导出各种阀芯组合、正常风量状况下的阻力。以示范核电站项目为例，系统需要的风量越大，阀门配置的阀芯数量越多，单个阀芯的流量范围基本在400～900 m3／h之间；则该项目抗龙卷风冲击波阀的阻力值范围为：58～292 Pa。

3 结束语

抗冲龙卷风击波阀，能在冲击波事故时起到隔绝冲击力的作用，但绝大部分时间是正常工况下运行，其正常工况下的阻力值越小，通风系统就越节能。故抗龙卷风冲击波阀的阻力性能是阀门的关键技术指标，抗龙卷风冲击波阀的阻力越小，通风系统就越节能。设计抗龙卷风冲击波阀时，首先要选用阻抗较小的阀芯；其次，因流经单个阀芯的风量越大，阀门的阻力值越高，所以单位面积的框架内配尽量多的阀芯数量。特别要注意：为节约初投资，在控制阀芯数量时，单阀芯的风量一定不能超出正常工况下的最大流量，该流量是阀叶未发生位移时的最大流量，最大流量也是阀芯出厂试验的关键指标之一。总之，工程应用时，根据系统通风需求合理配置阀芯数量，起到通风、防护两不误的作用。

在建设项目中，通过阀芯的阻抗值能快捷方便地预算抗龙卷风冲击波阀在系统中的阻力，即×SP芯×Q2；再通过典型风阀样机开展试验验证，大大缩短测试周期、降低测试成本。

阀芯安装时，阀芯与框架间会存在少量间隙，存在漏风现象，导致多阀芯组合而成的抗龙卷风冲击波阀实测阻力值会略小于理论计算值。

抗冲龙卷风击波阀，同框架上安装的阀芯性能务必相同，且安装方式一致，否则会破坏阀芯的并联关系，上述用阀芯阻抗值预算阀门阻力的关系就会被破坏。