多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)及流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

何秋嶺

（重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，高溫、高壓等特殊工況也越來(lái)越多，也對(duì)應(yīng)用于高壓差的調(diào)節(jié)閥提出了更高的要求。高壓差調(diào)節(jié)閥使用中主要存在的問(wèn)題不是壓力大,而是壓差特別大時(shí),對(duì)閥芯、閥座產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷、氣蝕，調(diào)節(jié)閥的壽命極短。為了能夠有效防止沖刷、氣蝕，延長(zhǎng)使用壽命，通常采用兩種方案：一種是采用硬質(zhì)合金內(nèi)件，提高閥內(nèi)件硬度，增強(qiáng)抗沖刷、氣蝕能力，但生產(chǎn)制造成本昂貴；第二種方案是采用多級(jí)降壓的原理，將高壓差分解為多個(gè)小壓差，通過(guò)逐級(jí)降壓來(lái)達(dá)到目的。相較于第一種方案，第二種方案制造生產(chǎn)成本較低，效果更好，更為經(jīng)濟(jì)。本文提出一種多級(jí)降壓的結(jié)構(gòu)來(lái)解決實(shí)際生產(chǎn)中的高壓差問(wèn)題。

1 多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥

多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥就是通過(guò)多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)解決實(shí)際生產(chǎn)中的高壓差問(wèn)題。它精于控制在高溫、高壓、高壓差以及含有固體顆粒條件下流體的壓力和流量。該閥集中了普通單座式和迷宮式的優(yōu)點(diǎn)，有效防止氣蝕、沖刷，降低噪音。

1.1 多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

本文提出多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)，如圖1所示。閥體組件主要由多級(jí)閥芯部件、閥座、套筒部件、閥體、上閥蓋、密封環(huán)、圣戈班等零部件組成[1]。

圖1 多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥

如圖2所示的工作原理，閥芯采用串級(jí)降壓的形式。介質(zhì)沿閥芯和套筒軸線方向平行向上流動(dòng)，逐步流過(guò)串級(jí)閥芯的節(jié)流臺(tái)階及套筒上均布排列的矩形窗口，使閥前閥后的實(shí)際壓差沿閥芯軸線方向勻速降低，達(dá)到控制介質(zhì)的流速、防止空化、降低噪音的效果。同時(shí)針對(duì)介質(zhì)中所含的雜質(zhì)和固體顆粒，串級(jí)閥芯的每個(gè)臺(tái)階處刃口與套筒上的窗口在閥關(guān)閉時(shí)起剪切作用，避免調(diào)節(jié)閥堵塞或粘接，保證閥的正常工作。同時(shí)解決了閥門(mén)起閉過(guò)程中的持續(xù)壓差問(wèn)題。當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí), 閥口比各級(jí)節(jié)流件要先開(kāi)啟, 此時(shí)作用在閥口的高壓被均布分解, 閥口沒(méi)有持續(xù)差壓作用, 直至各級(jí)節(jié)流件已完全正常工作, 從而減少產(chǎn)生氣蝕的可能性；當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí), 多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥相當(dāng)于有多個(gè)單座閥的閥口同時(shí)被關(guān)閉, 只不過(guò)后面幾級(jí)的密閉性沒(méi)有第一級(jí)的凡爾線密封嚴(yán)密。

圖2 閥門(mén)的工作原理

1.2 計(jì)算閥門(mén)理論Cv

閥門(mén)的Cv值是工業(yè)控制閥的重要工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，是表示元件對(duì)液體的流通能力，即流量系數(shù)[2]。理論Cv計(jì)算公式為：

且式中:Q為介質(zhì)最大質(zhì)量流量，單位kg/s；

G 為介質(zhì)比重（常溫下，水的比重為1）；

P1為閥前壓力，單位：0.1MPa；

P2為閥后壓力，單位：0.1MPa；

根據(jù)國(guó)內(nèi)某廠方提供的系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際工況參數(shù)，閥前壓力19.8 MPa，閥后壓力為1.3 MPa，介質(zhì)為常溫水，介質(zhì)比重為1,最大質(zhì)量流量Q=7.2kg/s。

由公式（1）可知：

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，DN40口徑的閥門(mén)完全滿足條件，公稱壓力要等于或大于壓差的1.5倍，所以選擇DN40 ANSI2500 Cv=4、線性流量特性、開(kāi)度55%的調(diào)節(jié)閥。

1.3 確定降壓級(jí)數(shù)

當(dāng)高壓流體流經(jīng)控制閥時(shí)，液體流速增加，產(chǎn)生了速度與壓力的能量轉(zhuǎn)換從而壓力降低。當(dāng)壓力達(dá)到該流體溫度對(duì)應(yīng)下的飽和蒸汽壓Pv時(shí)，部分液體就汽化形成蒸汽泡，這就是氣蝕的第一個(gè)階段?？栈F(xiàn)象是當(dāng)液體經(jīng)過(guò)最小截面到達(dá)較大面積時(shí)，閥后壓力增加, 即閥后壓力高于飽合蒸汽壓時(shí)氣泡破裂或爆炸。如果閥后壓力還在飽合蒸汽壓以下時(shí)，汽泡就會(huì)繼續(xù)形成閃蒸[3]。所以氣蝕、空化、閃蒸都是閥門(mén)使用壽命縮短的重要原因。對(duì)于壓差較大的場(chǎng)合，多級(jí)降壓的顯著作用就是控制縮流面處的壓力Pvc，確保介質(zhì)通過(guò)每一降壓段時(shí)的壓力不小于液體的飽和蒸氣壓，防止閃蒸、空化的產(chǎn)生。

在使用時(shí), 應(yīng)對(duì)閥的壓力進(jìn)行驗(yàn)算,即用每一級(jí)降壓后的實(shí)際壓力降與產(chǎn)后阻塞流后的降壓后的壓力進(jìn)行比較，驗(yàn)算是否存在氣蝕的現(xiàn)象。假設(shè)在下例的工況中為六級(jí)降壓。

……………

從以上計(jì)算可知，在此實(shí)際工況中調(diào)節(jié)閥的臨界氣蝕點(diǎn)是在六級(jí)節(jié)流后。由此可見(jiàn)六級(jí)降壓完全滿足條件，沒(méi)有氣蝕的發(fā)生。

2 多級(jí)降壓高壓差閥內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

2.1 建立三維流道模型

利用Solidworks三維實(shí)體建模軟件對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道進(jìn)行三維建模。Solidworks是一款提供一系列的三維（3D）設(shè)計(jì)產(chǎn)品的軟件，它可以幫助設(shè)計(jì)師減少設(shè)計(jì)時(shí)間，增加精確性，提高設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。該軟件對(duì)閥體流道和套筒部件流道進(jìn)行三維模型，并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17213.9-2005 中關(guān)于閥門(mén)流通能力測(cè)試管道配置規(guī)定，分別將進(jìn)口端和出口端按2倍和6倍管徑延長(zhǎng)，可使數(shù)值模擬過(guò)程中進(jìn)出口邊界條件的設(shè)置更加符合實(shí)際情況。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

使用CFD（即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）處理軟件進(jìn)行三維模型網(wǎng)格劃分[4]。該模型采用整體生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，為提高網(wǎng)格精度，將最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1mm，最大為1.5mm，并通過(guò)Smooth Elements Globally 進(jìn)行網(wǎng)格順滑處理，使網(wǎng)格質(zhì)量處于較高水平。經(jīng)劃分，網(wǎng)格數(shù)為340 萬(wàn)左右。將網(wǎng)格導(dǎo)入CFD 軟件，邊界相關(guān)邊界條件[5-6]。其中，設(shè)置壓力進(jìn)口為19.8Mpa，壓力出為1.3Mpa，介質(zhì)為常溫水。經(jīng)數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

2.2.1 理論流量特性與模擬流量特性比對(duì)

模擬計(jì)算出55%開(kāi)度下通過(guò)閥門(mén)的流量為7.4kg/s，全開(kāi)時(shí)通過(guò)的閥門(mén)流量為13.09kg/s，與實(shí)際工況流量相符。在10%,20%......100%不同開(kāi)度下的模擬Cv值，如表1所示。

表1 不同開(kāi)度下的CV值

閥門(mén)開(kāi)度與理論計(jì)算開(kāi)度接近，在開(kāi)度55%左右達(dá)到計(jì)算Cv值2.2。該串級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的模擬流量特性曲線和理論流量特性曲線基本吻合，具有線性流量特性。但在低開(kāi)度時(shí)，模擬流量系數(shù)略高于理想流量系數(shù)。分析原因，主要因閥門(mén)在低開(kāi)度時(shí)所建立模型與實(shí)際模型存在誤差導(dǎo)致。但從總體來(lái)看，模擬流量特性已較真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際理想流量狀態(tài)。由此，CFD數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度對(duì)串級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義。如圖3所示。

圖3 擬合特性曲線2.2.2 壓力場(chǎng)分析

如圖4所示，流體每通過(guò)一個(gè)節(jié)流截面消化掉一部分壓差，即壓力降被平均分?jǐn)偟矫恳淮墓?jié)流組件上[7]。同時(shí)串聯(lián)流路內(nèi)介質(zhì)的最底壓力不低于該工況下介質(zhì)的飽和蒸汽壓，避免了空化的發(fā)生。因此，六級(jí)降壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖4 壓力場(chǎng)分析

2.2.3 速度場(chǎng)分析

從圖5速度云圖可以看出，介質(zhì)在閥體流道內(nèi)流速均勻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般閥門(mén)內(nèi)液體介質(zhì)流速接近30m/s，該例中介質(zhì)的大部件流速接近為30m/s，避免了閥內(nèi)件產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷。介質(zhì)的最大流速集中在閥芯降壓處，考慮到閥門(mén)在實(shí)際情況下存在近壁面壓力損失等因素，可以滿足多級(jí)降壓的條件。

圖5 速度場(chǎng)分析（m/s）

3 結(jié)束語(yǔ)

借用CFD流場(chǎng)模擬軟件，對(duì)多級(jí)降壓閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行可視化研究，其計(jì)算結(jié)果分析顯示與實(shí)際內(nèi)部流動(dòng)吻合，降壓結(jié)構(gòu)合理。該類型結(jié)構(gòu)閥門(mén)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)獨(dú)特，能夠防止氣蝕、閃蒸，降低沖刷，延長(zhǎng)使用壽命，完全適用于高壓差工況?！?/p>

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