調節(jié)閥介質流向對不平衡力的影響

【摘要】以快速更換式單座調節(jié)閥為例，利用Solidworks軟件對調節(jié)閥內部流場進行三維實體建模，用CFX軟件對流場進行流體動力學分析，得到各開度下不平衡力的可視化結果。用等效閥瓣截面積的變化表示不同開度下壓力的變化，用五階泰勒展開式表示等效截面積與行程h的關系。結果表明，流開型調節(jié)閥不平衡力較大，沖刷作用區(qū)域較寬，但不平衡力作用方向始終為正，并且比流關型調節(jié)閥穩(wěn)定。因此，一般直通單座調節(jié)閥設計成流開型。

1.概述

控制閥是過程控制中的重要組件，隨著自動化技術的發(fā)展，已被廣泛地應用于冶金、電力、石油和化工等工業(yè)部門中，控制設備的正常使用與調節(jié)閥的穩(wěn)定性及使用壽命密切相關。為了使調節(jié)閥能長時間穩(wěn)定工作，不僅要研究調節(jié)閥內部流場，同時也需要對執(zhí)行機構進行研究。在調節(jié)閥工程設計中，執(zhí)行機構在閥全關時輸出推力應滿足1.1（不平衡力+閥座壓緊力）。其中，閥座壓緊力與調節(jié)閥類型相關，受其他條件影響小，因此執(zhí)行機構的選擇主要受調節(jié)閥不平衡力的影響。

2.結構性能

調節(jié)閥介質流向分為底進側出（流開型）和側進底出（流關型）（圖1）。介質流動方向的改變，一方面會引起調節(jié)閥前后壓力和方向改變，使不平衡力作用方向或大小發(fā)生改變，另一方面會使介質對閥瓣的繞流方向發(fā)生改變，從而改變流體阻力，使作用在閥瓣上的不平衡力發(fā)生改變。這些變化會對調節(jié)閥執(zhí)行機構的選擇產生影響，從而影響調節(jié)閥的穩(wěn)定性及使用壽命。因此，介質流向的選擇對調節(jié)閥的選型設計和穩(wěn)定性有著極為重要的意義。
（a）流開型 （b）流關型
圖1 直通單座調節(jié)閥不平衡力分析
3.不平衡力計算

閉合狀態(tài)下流開型調節(jié)閥不平衡力Ftk和流關型調節(jié)閥不平衡力Ftg分別為
（1）
（2）
式中 Ftk、Ftg———不平衡力，
Nds———閥桿直徑，mm
dg———閥瓣直徑，mm
p1———閥上游壓力，MPa
p2———閥下游壓力，MPa
閥瓣上表面和下表面所受的壓力隨著開度的變化而變化。為方便計算閥瓣上、下表面所受的壓力值，將閥瓣上、下表面所受壓力變化近似轉換為等效閥瓣截面積的變化。
調節(jié)閥在流開狀態(tài)時，閥桿處于流體的流出端，其不平衡力近似為入口壓力p1和出口壓力p2與等效閥瓣截面積Sh作用的結果，即

（3）
式中 Δp———閥前后壓差，MPa
Sh———某一開度下等效閥瓣截面積，mm2
將問題簡化，對Sh和行程h之間的關系取泰勒展開式，其五階近似式為

（4）
將式（4）帶入式（3），則式（3）簡化為
將式（4）帶入式（3），則式（3）簡化為

（5）
調節(jié)閥在流關狀態(tài)時，閥桿處于流體的流入端。取泰勒展開式后，其不平衡力計算的五階近似式為

（6）
4.內部流場數(shù)值模擬

4.1 三維模型
快速更換式調節(jié)閥的公稱通徑為200mm，等百分比流量特性，行程60mm。根據(jù)調節(jié)閥結構對稱性，取流道的一半建模，為了使進出口不產生回流，前后管道各加長3倍管徑的長度（圖2）。

圖2 流道模型
4.2 網(wǎng)格劃分
將流道模型分為5部分。流體在流經閥瓣和閥座時，壓力梯度和速度梯度變化較大，采用較密的非結構四面體網(wǎng)格。在進口和出口處，流體流動較簡單，流速較低且比較平穩(wěn)，采用較疏的六面體網(wǎng)格。其余兩個部分，由于結構較為復雜，采用非結構四面體網(wǎng)格。5部分共計網(wǎng)格數(shù)量為196229（圖3）。

圖3 流道網(wǎng)格模型
4.3 求解模型
設定入口壓力為3MPa，出口壓力為2.75MPa，對稱面邊界條件以及閥瓣面的壁面邊界條件。由于控制閥內部流場結構復雜，當流體流經閥體時，會產生非常復雜的流動狀態(tài)，雖有旋渦和分離流，但不是強旋渦，屬于中等強度的雷諾數(shù)，因此計算模型取標準模型。由于流體與閥體內部邊界面沒有滑移，所以固體邊界面取無滑移邊界條件。

5 結果分析

5.1 介質流向對不平衡力的影響

直行程調節(jié)閥不平衡力是調節(jié)機構中控制閥的閥瓣所受的軸向合力，其大小和方向是執(zhí)行機構選型的重要指標之一。取前后壓差為0.25MPa，針對不同開度進行數(shù)值模擬（表1）。根據(jù)不同開度下的計算值得到不平衡力的變化趨勢圖（圖4）。

表1 調節(jié)閥不平衡力數(shù)值模擬值
根據(jù)流開型調節(jié)閥不平衡力Ftk和流關型調節(jié)閥不平衡力Ftg變化趨勢，得到兩個五階近似多項式。

分析調節(jié)閥不平衡力變化趨勢，流開型調節(jié)閥不平衡力總是比流關型調節(jié)閥大。流開型控制閥不平衡力在各開度下為正。流關型調節(jié)閥不平衡力在開度大于32mm時，不平衡力為正值，在開度小于32mm時，不平衡力為負值。

圖4 調節(jié)閥不平衡力變化趨勢
5.2 60%開度時介質流向的影響
流開型調節(jié)閥閥瓣在閥門開度為60%時，受沖刷作用較強，且密封面附近也受到沖刷（圖5）。流開型調節(jié)閥受到的不平衡力在60%開度時逐漸趨于平穩(wěn)，最后穩(wěn)定在2.6kN（圖6）。由于模型取流道的一半進行計算，因此，不平衡力為5.2kN。

圖5 流開型調節(jié)閥閥瓣受沖刷作用點分布

圖6 流開型調節(jié)閥不平衡力隨時間的變化
流關型調節(jié)閥在閥門開度為60%時，受沖刷作用位置主要集中在閥瓣底部，距離密封面較遠（圖7）。流關型調節(jié)閥受到的不平衡力沒有收斂的趨勢，始終在85～283N之間波動（圖8），因此，不平衡力在170～566N之間波動。

6.結語
（1）從調節(jié)閥所受不平衡力的大小和閥瓣所受沖刷作用點分析，流關型調節(jié)閥不平衡力小，閥瓣受沖刷影響小，可以提高調節(jié)閥的使用壽命。

圖7 流關型調節(jié)閥閥瓣受沖刷作用點分布

圖8 流關型調節(jié)閥不平衡力隨時間的變化
（2）從調節(jié)閥所受不平衡力的方向和穩(wěn)定性分析，流開型調節(jié)閥不平衡力方向始終為正方向，且不平衡力穩(wěn)定，而流關型控制閥不平衡力方向有時為正方向，有時為負方向，且不平衡力在有些開度下是波動的。
（3）流關型調節(jié)閥不平衡力的方向變化對執(zhí)行機構的選型帶來極大影響，這種流向的調節(jié)閥無法應用于氣動薄膜執(zhí)行機構，而且不平衡力的波動極大影響了調節(jié)閥的穩(wěn)定性及使用壽命，因此，一般直行程單座控制閥設計成流開型。

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