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閥籠式調(diào)節(jié)閥套筒窗口形狀設(shè)計(jì)與流量特性分析
發(fā)布于：2019/12/10 9:01:25 點(diǎn)擊量：754
0 前言
閥籠式調(diào)節(jié)閥在自動(dòng)化控制過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，它是工業(yè)生產(chǎn)控制中的重要部件，由一系列的運(yùn)動(dòng)元件構(gòu)成，調(diào)節(jié)閥的運(yùn)動(dòng)元件按照職能的不同分為執(zhí)行部件和閥門部件兩部分。
調(diào)節(jié)閥工作時(shí)，閥瓣沿著套筒安裝軸線上下運(yùn)動(dòng)遮擋窗口而積，從而改變流通窗口而積。流體從下管道流入，經(jīng)過(guò)套筒窗口，從上管道流出。由于閥瓣的行程和流出體積之間不同的函數(shù)關(guān)系，因此形成了各種流量特性。因此，調(diào)節(jié)閥工作過(guò)程中為實(shí)現(xiàn)特定流量特性要求和流體進(jìn)出口壓力調(diào)節(jié)功能，需要設(shè)計(jì)符合要求精度的閥籠式調(diào)節(jié)閥套筒結(jié)構(gòu)團(tuán)。
國(guó)內(nèi)的調(diào)節(jié)閥技術(shù)發(fā)展起步較晚，技術(shù)人員用于設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的誤差團(tuán)。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)過(guò)程中缺少新技術(shù)的應(yīng)用，也缺少在實(shí)際工況下的模擬仿真過(guò)程，故本文作者從閥籠式調(diào)節(jié)閥流量特性的孔板流量計(jì)原理和流體力學(xué)的連續(xù)性方程推導(dǎo)調(diào)節(jié)閥橫截而積的設(shè)計(jì)公式。為滿足在不同開度下均符合固有流量特性曲線，完成套筒的窗口形狀設(shè)計(jì)，以4條固有流量特性曲線(直線型流量特性、等百分比型流量特性、拋物線型流量特性和快開型流量特性)為例，并設(shè)置進(jìn)出口壓力差，通過(guò)Solid-Works軟件建模與FLUENT軟件基于CFD (Computa-tional Fluid Dynamics)仿真模擬，得到所設(shè)計(jì)套筒的工作流量特性，分析套筒內(nèi)部流場(chǎng)和邊界效應(yīng)對(duì)不同開度下實(shí)際流量特性的影響[Cs7按照文中的設(shè)計(jì)方法所得的閥籠式調(diào)節(jié)閥套筒具有以下優(yōu)點(diǎn):可設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)特定要求的套筒，通用性強(qiáng);經(jīng)仿真驗(yàn)證套筒的工作流量特性在誤差范圍內(nèi)，能滿足實(shí)際工作要求，可靠性強(qiáng);運(yùn)用CFD仿真軟件仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，效率高。
1 固有流量特性及套筒窗口計(jì)算
1. 1 調(diào)節(jié)閥的流量特性
調(diào)節(jié)閥的流量特性，是指調(diào)節(jié)閥在某一行程下流量口與全開時(shí)的流量口max之比的相對(duì)流量(Q/Qmax )與某一行程l與全開行程l的相對(duì)開度(l/L)之間的函數(shù)關(guān)系，表示為Q/Qmax =f (l/L)。相對(duì)開度是利用執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)閥桿控制閥瓣與套筒沿套筒軸向的相對(duì)位置，改變套筒節(jié)流而積大小實(shí)現(xiàn)控制閥流量的調(diào)節(jié)。流量特性的研究是除總體結(jié)構(gòu)、密封和壓力自平衡研究外的一項(xiàng)關(guān)鍵。然而在實(shí)際工況中，由于多種因素的影響，閥門前后壓降不穩(wěn)定將導(dǎo)致介質(zhì)流量不斷變化，為了便于分析，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常設(shè)定閥門壓降恒定，再根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行修正，兩者分別稱為固有流量特性和工作流量特性圖。其中固有流量特性根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同主要分為直線、等百分比(對(duì)數(shù))、拋物線及快開特性4種因，如圖1所示，通過(guò)相對(duì)流量和相對(duì)位移之間不同數(shù)學(xué)表達(dá)式（1）一式（4）分別進(jìn)行計(jì)算，其中K是常
圖1 4種固有流量特性曲線
1.2套筒橫截面積公式推導(dǎo)
介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)橫截而的變化產(chǎn)生閥前后的壓差，從而改變通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量。介質(zhì)通過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)，產(chǎn)生局部壓力損失。根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程，當(dāng)流體壓力發(fā)生變化，各壓頭之間互相轉(zhuǎn)化，流體的壓頭主要有位置壓頭、靜壓頭和速度壓頭。節(jié)流閥的總壓頭H為位置壓頭h、靜壓頭h和速度壓頭h三者之和。其中P為流體的壓力，P為流體密度，v為流速。即公式(5)
伯努利方程中理想流體(不存在摩擦阻力)的總能量不變，即位置壓頭、靜壓頭、速度壓頭的和總是一個(gè)固定值。用下標(biāo)1, 2分別表示兩處流體位置，P為流體的壓力，用式(6)表達(dá)
當(dāng)流體介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，其流速和壓力都會(huì)發(fā)生變化，流速在調(diào)節(jié)閥閥口處達(dá)到峰值后的靜壓力下降十分顯著。在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥后，靜壓力不能完全恢復(fù)到閥前的壓力，這是因?yàn)榻橘|(zhì)在通過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)，流體內(nèi)部的相互摩擦導(dǎo)致部分動(dòng)能以熱能的形式散失，導(dǎo)致介質(zhì)溫度上升。
在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，流體流經(jīng)管路時(shí)產(chǎn)生能量損失h。根據(jù)能量守恒，必須把這部分能量計(jì)入。在實(shí)際工況下，式(7)為完整形式的流體伯努利方程
因?yàn)楣艿朗撬桨惭b的，因此位置壓頭都相等，即h1 =h2，將公式化簡(jiǎn)得式(8)
則經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)，流體的動(dòng)能損失可用式(9)表示
假設(shè)能量只在各個(gè)水頭之間相互轉(zhuǎn)換，且沒(méi)有能量損失，從而推導(dǎo)出了式(10)
由流體流動(dòng)的連續(xù)性方程流量口等于流通而積和流速的乘積可得式(11)
上式為調(diào)節(jié)閥的流量方程。計(jì)算過(guò)程中，d是孔徑，A是套筒全開時(shí)的流通而積，A。是過(guò)流而積，常以cm為單位，閥門前后的壓力差常以100 kP。為單位，流體密度以g/c時(shí)為單位，所以常用式(13)來(lái)代替
綜上所述，調(diào)節(jié)閥是通過(guò)改變閥的開度來(lái)改變閥的流通而積，不同的開度下有不同的開度阻力，以完成流量特性的變化。伯努利方程是理想情況下能量不變的守恒方程式，連續(xù)性方程是根據(jù)截而和流速的乘積相等的方程，三者與任一流量特性曲線求解即可得某截而的而積。
流量系數(shù)K、是指調(diào)節(jié)閥通過(guò)密度為p = 1 kg幾的介質(zhì)、壓力損失為105 Pa而損失的流量，它的單位是m3/h。流量系數(shù)與安裝的調(diào)節(jié)閥的管路系統(tǒng)無(wú)關(guān)，僅與閥門的結(jié)構(gòu)和開度有關(guān)，用方程(14)表示
與式(13)化簡(jiǎn)聯(lián)立，開度時(shí)的理論流通而積A，可得調(diào)節(jié)閥套筒在任一見(jiàn)式(15)
1. 3套筒橫截面積計(jì)算
套筒閥的工作原理是通過(guò)閥芯部件(閥瓣和套筒窗口)的相對(duì)位移達(dá)到控制閥門流量的目的。調(diào)節(jié)閥的開度最大時(shí)，流量系數(shù)和流量達(dá)到最大，分別用Kvmax和qvmax表示。R為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比。直線、等百分比(對(duì)數(shù))、拋物線及快開4種流量特性，對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式(1)一式(4)分別代入邊界條件為:l=0時(shí)，qv=qvmax; l=L.時(shí)，qv=qvmax，分別得到流量特性方程式(16)一式(19)，分別與式(15)聯(lián)立求解
求得套筒的窗口數(shù)據(jù)。
建立閥芯行程30 mm的套筒。劃分3 mm為一個(gè)計(jì)算值點(diǎn)，30 mm的閥芯行程被均勻地分成10份，在各個(gè)計(jì)算值點(diǎn)之間采用梯形而積的計(jì)算方法，并利用倒角、圓弧與各個(gè)窗口寬度兩端的連接以校正和擬合設(shè)計(jì)曲線。最終設(shè)計(jì)得到的形狀通過(guò)CAD ( Com-puter Aided Design)軟件的massprop命令驗(yàn)證窗口橫截而積的精度，使設(shè)計(jì)窗口的而積與通過(guò)理論計(jì)算得到的而積之間的誤差小于0. 1%0。4種流量特性曲線的窗口形狀如圖2一圖5所示。
套筒的窗口個(gè)數(shù)一般為偶數(shù)，對(duì)稱分布，有利于流體介質(zhì)在閥籠式套筒中間互相沖擊消耗靜壓能量，降低噪聲，避免振動(dòng)。通過(guò)計(jì)算公式(巧)一式n 9>，窗口數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表t所示。因此，采取不同值的可調(diào)比R即控制最大流量和最小流量之比
的參數(shù)得以實(shí)現(xiàn)。
由于在小開度時(shí)閥門內(nèi)部流阻系數(shù)大，調(diào)節(jié)性能變差，故在設(shè)計(jì)窗口形狀時(shí)針對(duì)小開度時(shí)部分舍棄流量特性，優(yōu)化在30%一80%的流量調(diào)節(jié)性能，提高調(diào)節(jié)閥的實(shí)際使用性能。
2 基于FLUENT軟件的仿真模擬
2. 1 套筒模型的建立
套筒閥適合閥前后壓差大和液壓出現(xiàn)閃蒸或空化的場(chǎng)合，穩(wěn)定性好，噪聲低。流體介質(zhì)從閥體的進(jìn)口流道流入，通過(guò)籠式套筒的底部進(jìn)入套筒內(nèi)，再通過(guò)籠式套筒的窗口進(jìn)入出口流道。
通過(guò)SolidWorks軟件建立了符合直線型、等百分比型、拋物線型和快開型流量特性的4個(gè)套筒，每個(gè)套筒的窗口個(gè)數(shù)為4個(gè)，均勻分布于公稱直徑為100mm的圓壁，采用線切割加工窗口形狀。
閥門的理想流量特性是在維持閥門兩端壓差不變
(卻△p= 0. 1 MPa)的環(huán)境中得到。小開度時(shí)因內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較大阻力對(duì)理想流量特性的影響，為驗(yàn)證工作流量特性隨著閥門開度的變化是否滿足設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)偏離程度的影響，采用FLUENT軟件仿真驗(yàn)證套筒窗口形狀設(shè)計(jì)。
2. 2 套筒網(wǎng)格劃分
套筒中流體介質(zhì)的三維立體模型導(dǎo)入項(xiàng)目管理區(qū)Meshing，將物理模型設(shè)定為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD模型，求解器為FLUENT，關(guān)聯(lián)度設(shè)置為100完全關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)中心設(shè)置為Fine，網(wǎng)格劃分方法為Cutcell o圖6為劃分網(wǎng)格后的套筒。
圖6 網(wǎng)格劃分后的套筒
2. 3參數(shù)設(shè)置及求解結(jié)果
湍流模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子瓢性可以忽略，因此選用雙方程模型的κ一ε模型。操作壓力默認(rèn)為一個(gè)大氣壓，閥前后壓差設(shè)置為0. 1 MPa，與設(shè)計(jì)公式(13)一致。若要設(shè)計(jì)特定壓差的符合實(shí)際工況要求的套筒，可在公式(13)中代入前后壓差值，在仿真環(huán)境中分別填入前后壓差值，計(jì)算可得符合工廠生產(chǎn)使用的特殊要求套筒。
3 仿真結(jié)果分析
FLUENT仿真模擬后得如圖7一圖10所示相對(duì)流量系數(shù)K、與相對(duì)開度llL的關(guān)系，相對(duì)流量系數(shù)Kv的理論值由公式(16)一式(19}計(jì)算得到，與經(jīng)過(guò)FLUENT軟件迭代運(yùn)算得到的仿真值相比，在30%80%區(qū)間內(nèi)總體上吻合性較好。
在小開度時(shí)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響較明顯，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將窗口形狀適當(dāng)改變以減小流阻的影響、提高使用壽命，而仿真過(guò)程簡(jiǎn)化了一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使流阻減小，故其不符合流量特性曲線。設(shè)計(jì)大開度時(shí)為增大流通能力，窗口適當(dāng)增大，故少量偏離流量特性曲線的計(jì)算值。調(diào)節(jié)閥套筒使用過(guò)程中，適用范圍為30% } 80%開度區(qū)間，故設(shè)計(jì)符合要求。
圖11、圖12分別是拋物線型流量特性的套筒窗口在40%和80%開度時(shí)出口處的速度分布云圖。可知:40%開度時(shí)比80%開度時(shí)的速度分布更均勻，而在80%開度時(shí)，出口下方左右兩側(cè)拐角處及下側(cè)流道拐角處流速近似0，即此處是調(diào)節(jié)閥工作時(shí)介質(zhì)流動(dòng)的閉死區(qū)域。
4結(jié)論
基于調(diào)節(jié)閥套筒而積與流量公式理論，提出一種經(jīng)三維建模和仿真模擬建立套筒窗口模型的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)流量特性的不同要求，設(shè)計(jì)了滿足4種固有流量特性曲線的套筒。與現(xiàn)存的設(shè)計(jì)方法相比，該方法有如下特點(diǎn):
(1)設(shè)計(jì)周期短，計(jì)算精準(zhǔn)度高。避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式的粗略，套筒窗口形狀的設(shè)計(jì)結(jié)果更適應(yīng)實(shí)際工況的工作環(huán)境。
(2)仿真結(jié)果與理論結(jié)果大致擬合，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｕ{(diào)節(jié)閥開度為30%~80%在仿真軟件中的結(jié)果更接近理論計(jì)算值，小開度時(shí)因設(shè)計(jì)時(shí)避免調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流阻過(guò)大而增大流通而積，因此與理論計(jì)算值有偏差，可在這一區(qū)間范圍內(nèi)進(jìn)行再次設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步減小誤差。
(3)按照該設(shè)計(jì)方法，可根據(jù)實(shí)際工況要求，設(shè)定前后壓差值代入式(13)，并與需要達(dá)到的流量特性方程聯(lián)立，求解得符合特定要求的套筒。該種套筒的流動(dòng)性能能得到針對(duì)性的提高，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)價(jià)值。
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