【摘要】以快速更換式單座調(diào)節(jié)閥為例,利用Solidworks軟件對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維實(shí)體建模,用CFX軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析,得到各開度下不平衡力的可視化結(jié)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(guān)系。結(jié)果表明,流開型調(diào)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(guān)型調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定。因此,一般直通單座調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)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(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,已被廣泛地應(yīng)用于冶金、電力、石油和化工等工業(yè)部門中,控制設(shè)備的正常使用與調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性及使用壽命密切相關(guān)。為了使調(diào)節(jié)閥能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,不僅要研究調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng),同時(shí)也需要對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。在調(diào)節(jié)閥工程設(shè)計(jì)中,執(zhí)行機(jī)構(gòu)在閥全關(guān)時(shí)輸出推力應(yīng)滿足1.1(不平衡力+閥座壓緊力)。其中,閥座壓緊力與調(diào)節(jié)閥類型相關(guān),受其他條件影響小,因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇主要受調(diào)節(jié)閥不平衡力的影響。
2.結(jié)構(gòu)性能
調(diào)節(jié)閥介質(zhì)流向分為底進(jìn)側(cè)出(流開型)和側(cè)進(jìn)底出(流關(guān)型)(圖1)。介質(zhì)流動(dòng)方向的改變,一方面會(huì)引起調(diào)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(huì)使介質(zhì)對(duì)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(huì)對(duì)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇產(chǎn)生影響,從而影響調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性及使用壽命。因此,介質(zhì)流向的選擇對(duì)調(diào)節(jié)閥的選型設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性有著極為重要的意義。
(a)流開型 (b)流關(guān)型
圖1 直通單座調(diào)節(jié)閥不平衡力分析
3.不平衡力計(jì)算
閉合狀態(tài)下流開型調(diào)節(jié)閥不平衡力Ftk和流關(guān)型調(diào)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(jì)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(zhuǎn)換為等效閥瓣截面積的變化。
調(diào)節(jié)閥在流開狀態(tài)時(shí),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(jié)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(jiǎn)化,對(duì)Sh和行程h之間的關(guān)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(jiǎn)化為
將式(4)帶入式(3),則式(3)簡(jiǎn)化為
(5)
調(diào)節(jié)閥在流關(guān)狀態(tài)時(shí),閥桿處于流體的流入端。取泰勒展開式后,其不平衡力計(jì)算的五階近似式為
(6)
4.內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬
4.1 三維模型
快速更換式調(diào)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(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,取流道的一半建模,為了使進(jìn)出口不產(chǎn)生回流,前后管道各加長(zhǎng)3倍管徑的長(zhǎng)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(jīng)閥瓣和閥座時(shí),壓力梯度和速度梯度變化較大,采用較密的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。在進(jìn)口和出口處,流體流動(dòng)較簡(jiǎn)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(gè)部分,由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。5部分共計(jì)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(shè)定入口壓力為3MPa,出口壓力為2.75MPa,對(duì)稱面邊界條件以及閥瓣面的壁面邊界條件。由于控制閥內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,當(dāng)流體流經(jīng)閥體時(shí),會(huì)產(chǎn)生非常復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài),雖有旋渦和分離流,但不是強(qiáng)旋渦,屬于中等強(qiáng)度的雷諾數(shù),因此計(jì)算模型取標(biāo)準(zhǔn)模型。由于流體與閥體內(nèi)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(jié)果分析
5.1 介質(zhì)流向?qū)Σ黄胶饬Φ挠绊?/FONT>
直行程調(diào)節(jié)閥不平衡力是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)選型的重要指標(biāo)之一。取前后壓差為0.25MPa,針對(duì)不同開度進(jìn)行數(shù)值模擬(表1)。根據(jù)不同開度下的計(jì)算值得到不平衡力的變化趨勢(shì)圖(圖4)。
表1 調(diào)節(jié)閥不平衡力數(shù)值模擬值
根據(jù)流開型調(diào)節(jié)閥不平衡力Ftk和流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力Ftg變化趨勢(shì),得到兩個(gè)五階近似多項(xiàng)式。
分析調(diào)節(jié)閥不平衡力變化趨勢(shì),流開型調(diào)節(jié)閥不平衡力總是比流關(guān)型調(diào)節(jié)閥大。流開型控制閥不平衡力在各開度下為正。流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力在開度大于32mm時(shí),不平衡力為正值,在開度小于32mm時(shí),不平衡力為負(fù)值。
圖4 調(diào)節(jié)閥不平衡力變化趨勢(shì)
5.2 60%開度時(shí)介質(zhì)流向的影響
流開型調(diào)節(jié)閥閥瓣在閥門開度為60%時(shí),受沖刷作用較強(qiáng),且密封面附近也受到?jīng)_刷(圖5)。流開型調(diào)節(jié)閥受到的不平衡力在60%開度時(shí)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(jìn)行計(jì)算,因此,不平衡力為5.2kN。
圖5 流開型調(diào)節(jié)閥閥瓣受沖刷作用點(diǎn)分布
圖6 流開型調(diào)節(jié)閥不平衡力隨時(shí)間的變化
流關(guān)型調(diào)節(jié)閥在閥門開度為60%時(shí),受沖刷作用位置主要集中在閥瓣底部,距離密封面較遠(yuǎn)(圖7)。流關(guān)型調(diào)節(jié)閥受到的不平衡力沒有收斂的趨勢(shì),始終在85~283N之間波動(dòng)(圖8),因此,不平衡力在170~566N之間波動(dòng)。
6.結(jié)語
(1)從調(diào)節(jié)閥所受不平衡力的大小和閥瓣所受沖刷作用點(diǎn)分析,流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力小,閥瓣受沖刷影響小,可以提高調(diào)節(jié)閥的使用壽命。
圖7 流關(guān)型調(diào)節(jié)閥閥瓣受沖刷作用點(diǎn)分布
圖8 流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力隨時(shí)間的變化
(2)從調(diào)節(jié)閥所受不平衡力的方向和穩(wěn)定性分析,流開型調(diào)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(guān)型控制閥不平衡力方向有時(shí)為正方向,有時(shí)為負(fù)方向,且不平衡力在有些開度下是波動(dòng)的。
(3)流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力的方向變化對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型帶來極大影響,這種流向的調(diào)節(jié)閥無法應(yīng)用于氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu),而且不平衡力的波動(dòng)極大影響了調(diào)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(shè)計(jì)成流開型。
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標(biāo)簽:調(diào)節(jié)閥
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