套筒式调节阀结构改进及流场分析_喻临风.pdf
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1、流 体 机 械2023 年 2 月84 第 51 卷第 2 期 收稿日期:2021-10-27 修稿日期:2022-10-23基金项目:江苏省研究生实践创新计划(自然科学类)项目(SJCX21_0524)doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2023.02.012套筒式调节阀结构改进及流场分析喻临风,何世权,郎晨旭,王佳琪(南京工业大学 机械与动力工程学院,南京 211816)摘 要:针对套筒式调节阀因工作时阀内流体压差过高、流速快,易产生阻塞流,导致在一定开度下,阀门流通能力降低,阀内噪声增大,致使套筒、阀芯、阀座损坏等问题,以 DN80 套筒式调节阀为研究对象,对套筒节
2、流孔的形状进行优化,设计出2 种不同形状的节流孔样式,对比分析 3 种不同形状的节流孔,采用计算流体动力学(CFD)方法对其内部流场进行数值模拟,分析调节阀流道内的速度分布云图、压力分布云图和流量特性曲线,并通过试验对比其流阻系数。结果表明,优化后的内缩式套筒结构在全开时,相较于初始结构降压能力提升约 13.65%、最高降速约 35%、流通能力提升约 22.73%,并解决了在阀门开度为 100%时阀体下腔处的回流现象。内缩式套筒结构具有更好的节流减压能力,能够安全可靠地应用于 2 种管线对接的工作状况,同时延长了阀门的使用寿命。关键词:套筒式调节阀;计算流体力学;流量特性;优化中图分类号:TH
3、138 文献标志码:A Structural improvement and flow field analysis of sleeve regulating valveYULinfeng,HEShiquan,LANGChenxu,WANGJiaqi(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing 211816,China)Abstract:Fortheproblemsofthesleeve,valvecoreandvalveseatfailureduetoreducedvalvecircu
4、lationcapacityandincreasednoiseinthevalveduetotoohighfluiddifferentialpressureandfastflowrateintheworkingsleevetyperegulatingvalve,whichtendstoproduceblockingflowunderacertainopening,theDN80sleeveregulatingvalvewastakenastheresearchobjecttooptimizetheshapeofthesleeveorifice,twotypesoforificewithdiff
5、erentshapesweredesigned,andthreedifferentshapesoforificewerecomparedandanalyzed,computationalfluiddynamics(CFD)methodwasusedtoconductthree-dimensionalnumericalsimulationofitsinternalflowfield.Thevelocitydistributioncloud,pressuredistributioncloudandflowcharacteristiccurveintheflowpassageoftheregulat
6、ingvalvewereanalyzed,andtheirflowresistancecoefficientswerecomparedthroughtests.Theresultsshowthattheoptimizedretractablesleevestructureincreasesthepressurereductioncapacitybyabout13.65%,themaximumspeedreductionbyabout35%,andtheflowcapacitybyabout22.73%comparedwiththeinitialstructurewhenitisfullyope
7、n,andsolvesthebackflowphenomenonatthelowercavityofthevalvebodywhenthevalveopeningis100%.Theoptimizedsleevestructurehasbetterthrottlinganddecompressioncapacitythantheoriginalstructure,andcanbeusedinbuttjointingoftwopipelinesmoresafelyandreliably,andprolongtheservicelifeofthevalve.Key words:sleevetype
8、regulatingvalve;computationalfluidmechanics;flowcharacteristics;optimization0 引言在现代工业生产中,调节阀作为重要的调节设备,广泛应用于管路系统中1-2。它是流体输送过程和工艺环路中的重要控制元件,是确保各种工艺设备正常工作的关键。随着工业的发展,对实际工况中各种场合的调节阀都提出了高温、高压、高压差等要求3。其中套筒调节阀的互换性和通用性较强,常用于动态稳定性好、高压降、低噪声、空化气蚀小、低泄漏量及调整方便的工况场合4。目前,我国套筒式调节阀和国外相比,问题在于阀内流体压差过高,对阀腔冲蚀大,易造成阀门损坏,使用
9、寿命短等问题。针对以上问题,国内外85学者通常采用双层式套筒或迷宫式套筒结构,但由于特殊套筒的制作工艺复杂,损坏不易修缮等缺点,仍需探索一种合适的解决方案。本文针对 DN80 的套筒式调节阀,通过改变套筒的节流孔形状,分析其速度云图和压力云图,对比流量特性曲线;通过试验对比分析流阻系数,改善其调节能力,延长使用寿命5。1 计算模型1.1 套筒式调节阀结构采用Soildworks软件建立调节阀的三维实体模型,套筒式调节阀主要有阀杆、阀盖、套筒、阀芯、阀体、压盖、阀座等主要部件组成6-7。套筒式调节阀的套筒和阀芯通常采用间隙配合,套筒上有多个节流孔,根据节流孔形状及大小的不同,阀门的流量系数也随之
10、不同8。套筒式调节阀比普通的调节阀噪声小、结构简单、维修方便。使用 Spaceclaim 软件对套筒式调节阀模型进行简化,有利于后续进行数值模拟时收敛9-10,简化后的套筒式调节阀结构如图 1 所示。图 1 套筒式调节阀结构示意Fig.1 Structuraldiagramofsleeveregulatingvalve本文以 DN80 的套筒式调节阀为研究对象,初始套筒的节流孔形状为半径3mm的圆柱通孔,为了获得更好的流通特性,提出另外 2 种不同节流孔形状的套筒,具体形状如图 2 所示。(a)原始孔型 (b)内扩锥形孔 (c)内缩锥形孔图 2 3 种不同节流孔形状的套筒Fig.2 Sleev
11、eswiththreedifferentorificeshapes1.2 流道抽取在进行流道抽取前,在调节阀模型前后分别添加 5 倍和 10 倍流道直径长度的管道,在Soildworks 中完成各部件的组装11。在 ANSYSWorkbench中导入三维模型,用Spaceclaim软件中Interference选项检测模型有无干涉现象,随后对模型抽取流道,把获得的流道模型导入 ICEM中进行网格划分,图 3 示出 50%开度下所抽取的流道模型。图 3 50%开度下的流道模型Fig.3 Flowchannelmodelat50%opening1.3 网格划分在进行计算之前首先要对模型进行前处理,
12、模型前处理主要包括网格划分与网格无关性验证。网格的无关性验证既能保证后续计算分析结果的有效性,又能确定网格的具体数量12。随后确定边界层网格尺寸及加密部分网格的尺寸,根据所确定的各项参数进行最终的网格划分13。经网格无关性验证后,保证每个开度模型所划分的网格数不小于 100 万,所有的网格质量系数均大于0.5。图 4 示出中开度(50%)下的网格模型。图 4 50%开度下的网格模型Fig.4 Gridmodelat50%opening喻临风,等:套筒式调节阀结构改进及流场分析86FLUID MACHINERYVol.51,No.2,20232 边界条件的设置本文对 3 种不同节流孔形状的套筒式
13、调节阀在不同开度的情况下进行数值模拟,流量特性仿真的模拟边界条件为:入口压力为 2MPa,出口压力为1.5MPa。由于流体在流经调节阀时,可能会发生湍流,所以湍流模型设置为-模型14-15。2.1 压力场分析通过后处理软件CFD-Post中的云图工具,截取模型Y-Z面的压力云图。以阀芯小开度(20%)、中开度(50%)和全开(100%)为例,做压力对比分析,原模型的压力云图结果如图 5 所示。(a)20%开度(b)50%开度(c)100%开度图 5 压力云图Fig.5 Pressurenephogram由图 5 对比分析可知,随着开度的增大,阀门的降压能力越好。流体通过入口管进入阀门,流体降压
14、点主要有2个:(1)流经套筒节流孔时;(2)流经阀座时。在阀芯低开度时,可以看出在套筒节流孔处降压较少,在阀芯与阀座处降压效果明显,压力降低约为30%。在阀芯大开度和全开时,节流孔降压作用则更为明显。在相同的入口压力下,阀芯开度越小,流通面积越小,阀内的出口压力越高,压力越不稳定,分布越不均匀,就越容易造成空化现象,造成阀门冲蚀磨损。改进后的 2 种不同套筒节流孔形状模型压力云图如图 6 所示。(a)内扩式(b)内缩式图 6 2 种不同节流孔形状的模型压力云图Fig.6 Pressurenephogramofmodelwithtwodifferent orificeshapes从上述 2 种改
15、进后的压力云图看出,在小开度时,降压效果较原模型都有不同程度改善,特别是在流体经过节流孔时,压力大幅降低。第 1 种改进方式在全开时出口压力为 1.29MPa,较原模型降压能力下降幅度约为 20%。第 2 种改进则无论在小开度、中开度和全开时,都较原模型有不87同程度的改善,降压效果更好,低压区域分布更为均匀,对阀芯的冲蚀程度也更小。故在降压方面,第 2 种内缩式漏斗型节流孔有更优良的性能表现。2.2 速度场分析以小开度(20%)、中开度(50%)和全开(100%)为例,原模型内部流场的速度云图如图 7所示。图 7 速度云图Fig.7 Velocitynephogram调节阀入口流体流速均匀,
16、当流经套筒节流孔时,由于流通面积的快速缩小,流体流动紊乱。当流动通过节流孔进入阀腔后,流通面积突然扩大,流体逐渐发散并在阀芯上方造成一定程度的回流现象。小开度时,流体经过阀芯与阀座交界处,流体方向发生改变,使得速度逐渐增大,并在阀体下方造成多处回流现象。随着开度的增大,回流渐渐消失,且在阀体下方形成大面积高速流动区域,最大流动速度达到 21.94m/s。改进后的 2 种不同套筒节流孔形状模型压力云图如图 8 所示。由图中可以明显看出,2 种改进方式较原模型在流速上都有着不同程度的改善,流体速度分布更加均匀,高速区域减少且不再集中于阀体下腔部分。特别是第 2 种改进方法,不仅解决了在小开度时在阀
17、体下腔的回流现象,而且集中在流体通过节流孔后的回流现象也已消除。阀腔内最大流动速度为 14.26m/s,较原模型下降了约 35%,效果十分显著。在流体流经阀芯和阀座之间时,速度并未产生较大的变化,所以改进后的模型性能表现优于原模型。(a)内扩式(b)内缩式图 8 2 种不同节流孔形状的模型速度云图Fig.8 Velocitynephogramofmodelwithtwodifferent orificeshapes3 流量特性分析3.1 流量系数计算流量系数 Cv是指单位时间内,在保持恒定压力的管道内,流体流经阀门的体积流量,即阀门的最大流通能力,是调节阀重要工艺参数和技术指标16。因此计算对
18、比分析 3 种不同套筒的调节阀的流量系数十分有必要。根据 GB/T17213.92005 工业过程控制阀 计算仿真流量系数,其公式为17:喻临风,等:套筒式调节阀结构改进及流场分析88FLUID MACHINERYVol.51,No.2,2023 CQpv=|N1101 2/(1)式中,Q 为某一开度下的体积流量;N1为常数,此时取N1=0.0865;1为流体的密度;0为15.5情况下水的密度;p 为进、出管口的压力差。通过软件模拟后,得到 3 种不同套筒的调节阀在各个开度下的进口流量,并计算得到流量系数 Cv。3.2 流量特性曲线分析以阀门的开度作为 x 轴,以流量系数作为 y轴,绘制流量特
19、性曲线如图 9 所示。图 9 流量特性曲线Fig.9 Flowcharacteristiccurve由图 9 可知,3 种不同节流孔形状的调节阀的流量特性曲线图,基本都符合百分比流量特性曲线。3 种模型在小开度(20%)时,原模型的流量系数最大。在开度 50%60%之间时,内缩式节流孔模型的流量系数超过原模型。在大开度时,内缩式模型的流量系数最大,为152.135。较原模型流通能力提升了约22.73%,内扩式模型的流量系数均低于另外两种,说明内缩式模型更有优势,其在小开度下能平缓调节流量,在大开度下能快速灵敏调节流量。说明优化后的内缩节流孔式调节阀在实际生产中更具备优势。4 流阻特性试验阀门流
20、阻系数用以表示阀门对通过液体的阻力,流阻系数的大小取决于阀门的结构、尺寸等。其数值越大代表对应的阀门流动能力越差18-20。在某阀门厂搭建流阻特性对比试验平台,试验流程如图 10 所示。图 10 试验系统Fig.10 Schematicdiagramofexperimentsystem系统前端为流体整流器,使通过的流体更加稳定,从而保证试验结果的准确性。在调节阀入口和出口管道分别安装测压器,计算压力损失p,所得数据由数据采集器进行收集汇总然后导入到计算机中,最后通过预设的流阻计算公式在计算机中算出优化前、后调节阀在不同开度下的流阻系数见表 1。表 1 流阻系数Tab.1 Tableofflow
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