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气动调节球阀新闻
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调节阀介质流向对不平衡力的影响

[来源:原创] [作者:无锡科莱恩流体控制设备有限公司] [日期:15-10-27] [点击:]

  【摘要】以快速更换式单座调节阀为例,利用Solidworks软件对调节阀内部流场进行三维实体建模,用CFX软件对流场进行流体动力学分析,得到各开度下不平衡力的可视化结果。用等效阀瓣截面积的变化表示不同开度下压力的变化,用五阶泰勒展开式表示等效截面积与行程h的关系。结果表明,流开型调节阀不平衡力较大,冲刷作用区域较宽,但不平衡力作用方向始终为正,并且比流关型调节阀稳定。因此,一般直通单座调节阀设计成流开型。

1.概述

控制阀是过程控制中的重要组件,随着自动化技术的发展,已被广泛地应用于冶金、电力、石油和化工等工业部门中,控制设备的正常使用与调节阀的稳定性及使用寿命密切相关。为了使调节阀能长时间稳定工作,不仅要研究调节阀内部流场,同时也需要对执行机构进行研究。在调节阀工程设计中,执行机构在阀全关时输出推力应满足1.1(不平衡力+阀座压紧力)。其中,阀座压紧力与调节阀类型相关,受其他条件影响小,因此执行机构的选择主要受调节阀不平衡力的影响。

2.结构性能

调节阀介质流向分为底进侧出(流开型)和侧进底出(流关型)(图1)。介质流动方向的改变,一方面会引起调节阀前后压力和方向改变,使不平衡力作用方向或大小发生改变,另一方面会使介质对阀瓣的绕流方向发生改变,从而改变流体阻力,使作用在阀瓣上的不平衡力发生改变。这些变化会对调节阀执行机构的选择产生影响,从而影响调节阀的稳定性及使用寿命。因此,介质流向的选择对调节阀的选型设计和稳定性有着极为重要的意义。
(a)流开型 (b)流关型
图1 直通单座调节阀不平衡力分析
3.不平衡力计算

闭合状态下流开型调节阀不平衡力Ftk和流关型调节阀不平衡力Ftg分别为
(1)
y678626(2)
式中 Ftk、Ftg———不平衡力,
Nds———阀杆直径,mm
dg———阀瓣直径,mm
p1———阀上游压力,MPa
p2———阀下游压力,MPa
阀瓣上表面和下表面所受的压力随着开度的变化而变化。为方便计算阀瓣上、下表面所受的压力值,将阀瓣上、下表面所受压力变化近似转换为等效阀瓣截面积的变化。
调节阀在流开状态时,阀杆处于流体的流出端,其不平衡力近似为入口压力p1和出口压力p2与等效阀瓣截面积Sh作用的结果,即

(3)
式中 Δp———阀前后压差,MPa
Sh———某一开度下等效阀瓣截面积,mm2
将问题简化,对Sh和行程h之间的关系取泰勒展开式,其五阶近似式为

(4)
将式(4)带入式(3),则式(3)简化为
将式(4)带入式(3),则式(3)简化为

(5)
调节阀在流关状态时,阀杆处于流体的流入端。取泰勒展开式后,其不平衡力计算的五阶近似式为

(6)
4.内部流场数值模拟

4.1 三维模型
快速更换式调节阀的公称通径为200mm,等百分比流量特性,行程60mm。根据调节阀结构对称性,取流道的一半建模,为了使进出口不产生回流,前后管道各加长3倍管径的长度(图2)。

图2 流道模型
4.2 网格划分
将流道模型分为5部分。流体在流经阀瓣和阀座时,压力梯度和速度梯度变化较大,采用较密的非结构四面体网格。在进口和出口处,流体流动较简单,流速较低且比较平稳,采用较疏的六面体网格。其余两个部分,由于结构较为复杂,采用非结构四面体网格。5部分共计网格数量为196229(图3)。

图3 流道网格模型
4.3 求解模型
设定入口压力为3MPa,出口压力为2.75MPa,对称面边界条件以及阀瓣面的壁面边界条件。由于控制阀内部流场结构复杂,当流体流经阀体时,会产生非常复杂的流动状态,虽有旋涡和分离流,但不是强旋涡,属于中等强度的雷诺数,因此计算模型取标准模型。由于流体与阀体内部边界面没有滑移,所以固体边界面取无滑移边界条件。

5 结果分析

5.1 介质流向对不平衡力的影响

直行程调节阀不平衡力是调节机构中控制阀的阀瓣所受的轴向合力,其大小和方向是执行机构选型的重要指标之一。取前后压差为0.25MPa,针对不同开度进行数值模拟(表1)。根据不同开度下的计算值得到不平衡力的变化趋势图(图4)。

表1 调节阀不平衡力数值模拟值
根据流开型调节阀不平衡力Ftk和流关型调节阀不平衡力Ftg变化趋势,得到两个五阶近似多项式。


分析调节阀不平衡力变化趋势,流开型调节阀不平衡力总是比流关型调节阀大。流开型控制阀不平衡力在各开度下为正。流关型调节阀不平衡力在开度大于32mm时,不平衡力为正值,在开度小于32mm时,不平衡力为负值。

图4 调节阀不平衡力变化趋势
5.2 60%开度时介质流向的影响
流开型调节阀阀瓣在阀门开度为60%时,受冲刷作用较强,且密封面附近也受到冲刷(图5)。流开型调节阀受到的不平衡力在60%开度时逐渐趋于平稳,最后稳定在2.6kN(图6)。由于模型取流道的一半进行计算,因此,不平衡力为5.2kN。

图5 流开型调节阀阀瓣受冲刷作用点分布

图6 流开型调节阀不平衡力随时间的变化
流关型调节阀在阀门开度为60%时,受冲刷作用位置主要集中在阀瓣底部,距离密封面较远(图7)。流关型调节阀受到的不平衡力没有收敛的趋势,始终在85~283N之间波动(图8),因此,不平衡力在170~566N之间波动。

6.结语
(1)从调节阀所受不平衡力的大小和阀瓣所受冲刷作用点分析,流关型调节阀不平衡力小,阀瓣受冲刷影响小,可以提高调节阀的使用寿命。

图7 流关型调节阀阀瓣受冲刷作用点分布

图8 流关型调节阀不平衡力随时间的变化
(2)从调节阀所受不平衡力的方向和稳定性分析,流开型调节阀不平衡力方向始终为正方向,且不平衡力稳定,而流关型控制阀不平衡力方向有时为正方向,有时为负方向,且不平衡力在有些开度下是波动的。
(3)流关型调节阀不平衡力的方向变化对执行机构的选型带来极大影响,这种流向的调节阀无法应用于气动薄膜执行机构,而且不平衡力的波动极大影响了调节阀的稳定性及使用寿命,因此,一般直行程单座控制阀设计成流开型。

文章链接:/jsxw/1241.htm

 

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