先導(dǎo)式深海通海閥流阻系數(shù)及開閥力研究

劉少剛，鄭大勇，程千駒（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

先導(dǎo)式深海通海閥流阻系數(shù)及開閥力研究

劉少剛，鄭大勇，程千駒
（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

閥門的流阻系數(shù)和開啟力是評(píng)價(jià)閥門性能的最重要參數(shù)，針對(duì)先導(dǎo)式通海閥內(nèi)流道降噪優(yōu)化前后對(duì)于這兩個(gè)參數(shù)的影響，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)CFX軟件對(duì)不同外部工作壓力及開度下的兩種流阻系數(shù)進(jìn)行仿真與試驗(yàn)分析。分析結(jié)果表明：在閥門具有較小開度及完全開啟時(shí)，優(yōu)化后流道流阻系數(shù)小于原流道。同時(shí)，對(duì)有先導(dǎo)孔和無先導(dǎo)孔的通海閥用CFX軟件在不同開度下進(jìn)行靜分析，并依據(jù)實(shí)際閥桿軸向力影響面確定了軸向力提取面組，提取兩種情況下、不同位置閥桿軸向力。分析結(jié)果表明：先導(dǎo)孔有助于減小閥門的開閥力，且有先導(dǎo)孔時(shí)，閥門的最大開閥力僅為無先導(dǎo)孔時(shí)的1/2.通過試驗(yàn)對(duì)仿真得到的開啟力進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真與試驗(yàn)結(jié)果具有非常好的相符性。

兵器科學(xué)與技術(shù)；先導(dǎo)式；通海閥；流阻系數(shù)；開啟力

0　引言

各類閥門的主要功能是根據(jù)需要對(duì)通過的流體的流量、壓力和流動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)整和控制，調(diào)節(jié)過程中要求其有較好的可操作性、控制可靠性，流阻小。為了滿足流阻小及易操作，人們采用試驗(yàn)的方法研究了截止閥各種開度下流阻系數(shù)[1]繪制了液控蝶閥的完整流阻系數(shù)曲線[2]、分析了ZVF調(diào)節(jié)閥不同閥瓣型線對(duì)局部流阻的影響[3]，運(yùn)用ANSYS分析了流場(chǎng)的壓力分布計(jì)算了不同開度、進(jìn)口速度和內(nèi)徑下閘閥的阻力系數(shù)[4]，分析了開啟速度、高度及工作水壓等各種因素對(duì)水閥開啟力的影響[5]，給出了閥門扭矩連續(xù)測(cè)試試驗(yàn)裝置[6]。

深海通海閥由于采用了反向截止結(jié)構(gòu)形式，其閥芯在流道中間對(duì)流阻系數(shù)會(huì)產(chǎn)生很大影響，同時(shí)其工作壓力較大造成開閥力過大，因此多采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)減小開閥力。由于先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)造成其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)為了減阻降噪，需要對(duì)其流道進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于其優(yōu)化前后流阻系數(shù)及開閥力的分析是深海通海閥性能評(píng)估的重要方面。

1　先導(dǎo)結(jié)構(gòu)原理

先導(dǎo)式深海通海閥主要由閥體、閥頭、閥桿、閥蓋及活塞等組成。其工作原理是在閥頭與閥體組成的大密封面打開之前先打開閥桿與活塞形成的小密封面，使海水由閥頭上留的孔進(jìn)入閥桿與閥頭間的間隙，再沿著閥桿與活塞間的導(dǎo)水槽進(jìn)入到儲(chǔ)水腔，通過海水對(duì)活塞上表面向下的壓力作用來抵消一部分閥頭受海水向上的壓力作用，進(jìn)而減小開閥過程中所需要的力矩。如圖1所示為先導(dǎo)式深海通海閥小密封面打開時(shí)的截面圖。

圖1　先導(dǎo)式通海閥小密封面打開時(shí)截面圖Fig.1　The sectional view of opened pilot-operated valve with the small sealing face

2　內(nèi)流場(chǎng)優(yōu)化前后流道結(jié)構(gòu)

流體在流道內(nèi)的流動(dòng)受阻造成其在一定區(qū)域內(nèi)不停做漩渦運(yùn)動(dòng)引起渦流噪是閥門噪聲的主要來源[7]。仿真經(jīng)驗(yàn)證明在流道中的直角轉(zhuǎn)彎處進(jìn)行圓弧或是彎管結(jié)構(gòu)處理對(duì)降低渦流噪聲有明顯作用[8]。基于降噪要求及先導(dǎo)結(jié)構(gòu)需要對(duì)閥體內(nèi)流道對(duì)比原閥進(jìn)行如圖2所示的閥頭流線型處理、增加臺(tái)階高度、部分地方進(jìn)行圓角處理優(yōu)化。

圖2　先導(dǎo)式通海閥內(nèi)流道結(jié)構(gòu)圖Fig.2　The structural diagram of internal flow passage of pilot-operated valve

3　流道優(yōu)化前后流阻系數(shù)分析

閥門流阻系數(shù)分析通常按JB/T5296—1991規(guī)定試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示。其中，d為被測(cè)閥門的通徑值。據(jù)此搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)采用CFX軟件對(duì)先導(dǎo)式通海閥內(nèi)流道進(jìn)行建模分析，并提取相應(yīng)點(diǎn)的壓力值及流量值。每個(gè)工況進(jìn)行10次試驗(yàn)，利用去除最大與最小結(jié)果再求平均值的處理方法，對(duì)壓力和流速進(jìn)行提取，仿真實(shí)驗(yàn)采用同樣的方法進(jìn)行。

圖3　閥門流阻測(cè)量系統(tǒng)Fig.3　Themeasurement system of flow resistance

分析模型進(jìn)出口要留有對(duì)應(yīng)于測(cè)量系統(tǒng)規(guī)定安裝測(cè)試壓力及流量處的管道長(zhǎng)度，需要時(shí)，可適當(dāng)延長(zhǎng)，使模型中流體流動(dòng)狀態(tài)更接近實(shí)際系統(tǒng)[9]。先導(dǎo)式深海通海閥仿真結(jié)果提取面按 JB/T5296—1991規(guī)定的壓力表安裝位置做壓力提取面，如圖4所示。在流量計(jì)位置設(shè)置流量提取面，分別對(duì)于最大開度狀態(tài)下、不同外部壓力條件及固定外部壓力、不同開口條件下對(duì)原流道及優(yōu)化后流道的流阻系數(shù)進(jìn)行仿真分析。

圖4　流阻系數(shù)分析各提取面位置Fig.4　The position of extracting surface for flow resistance coefficient analysis

參照J(rèn)B/T5296—1991規(guī)定及上述試驗(yàn)與仿真方法提取所需要參數(shù)代入（1）式后可獲得流阻系數(shù)值，結(jié)果如表1、表2所示。

式中：pin為入口壓力提出面壓力（Pa）；pout為出口壓力提出面壓力（Pa）；ρ為介質(zhì)密度（kg/m3）；v為流體速度（m/s）。

由表1、表2分析結(jié)果可知：不同入口壓力條件下，原閥流場(chǎng)的流阻系數(shù)平均值仿真結(jié)果為14.892，試驗(yàn)結(jié)果為14.86.優(yōu)化后閥流場(chǎng)的流阻系數(shù)平均值仿真結(jié)果為 12.518，試驗(yàn)結(jié)果為12.514.優(yōu)化后，閥流場(chǎng)流阻系數(shù)平均值仿真結(jié)果比原閥流場(chǎng)小2.374，試驗(yàn)結(jié)果比原閥流場(chǎng)小2.346.在不同入口壓力下，原閥與優(yōu)化閥的仿真與試驗(yàn)結(jié)果誤差均在1.5%內(nèi)，說明結(jié)果具有很好的相符性。同時(shí)，原閥與優(yōu)化閥在不同的入口壓力時(shí)，流道得出流阻系數(shù)在工程誤差范圍內(nèi)相同，驗(yàn)證了流阻系數(shù)為閥門本身性質(zhì)與外界條件無關(guān)。

表1　不同入口壓力下原閥流道流阻系數(shù)Tab.1　The flow resistance coefficients of original internal flow passage at different inlet pressures

表2　不同入口壓力下優(yōu)化閥流道流阻系數(shù)Tab.2　The flow resistance coefficients of optimized internal flow passage at different inlet pressures

原閥及優(yōu)化流道后閥的最大開度均為45 mm，分別取5mm、15mm、30mm及最大開度作為分析的不同開度值，采用上面所述仿真與試驗(yàn)方法對(duì)原閥流道及優(yōu)化后流道的流阻系數(shù)進(jìn)行分析，得到表3、表4及圖5所示結(jié)果。

由表3、表4及圖5可知：在選定工作壓力5MPa下，開度為5mm時(shí)，優(yōu)化流道后閥的流阻系數(shù)比原閥小約21.75；最大開度時(shí)，優(yōu)化流道后閥的流阻系數(shù)比原閥小2.42～2.45，但中間過程中原閥流阻系數(shù)要比優(yōu)化流道后閥小。由圖5采用原閥臺(tái)階高度分析可知，因?yàn)橄葘?dǎo)孔結(jié)構(gòu)存在要求增加臺(tái)階高度，造成開閥中間過程中流道相對(duì)狹窄造成流阻系數(shù)增加。

表3　不同開度下原流道流阻系數(shù)Tab.3　The flow resistance coefficients of original internal flow passage under different openings

表4　不同開度下優(yōu)化后流道流阻系數(shù)Tab.4　The flow resistance coefficients of optimized internal flow passage under different openings

圖5　不同開度下原閥流道與優(yōu)化后流道流阻系數(shù)Fig.5　The flow resistance coefficients of original and optimized internal flow passages under different openings

4　有無先導(dǎo)結(jié)構(gòu)下的開閥力分析

為了了解先導(dǎo)孔存在對(duì)開閥力影響，運(yùn)用CFX軟件進(jìn)行仿真研究。取僅有無先導(dǎo)孔差異的兩種通海閥，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助制造、輔助工程軟件Pro/E中分別建立實(shí)際通海閥內(nèi)海水所占空間形成的流域模型。此處由于先導(dǎo)孔流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜在有限元網(wǎng)格劃分上會(huì)有很大困難，因此采用如圖6所示的先導(dǎo)孔流道模型，將先導(dǎo)孔形成的流道移到模型外面，并用矩形截面代替原流道的圓形截面，并保證兩截面通流面積相同。

圖6　先導(dǎo)式深海通海閥流道截面Fig.6　The internal flow passage section of pilot-operated valve

啟動(dòng)ANSYSWorkbench CFX模塊導(dǎo)入Pro/E模型，利用ANSYSMesh中的CFD CFX網(wǎng)格劃分功能，對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密調(diào)整后以最大網(wǎng)格40 mm進(jìn)行劃分，劃分方式 On：Proximity and Cnrvature，各次分析時(shí)保證網(wǎng)格質(zhì)量在0.6以上。

對(duì)各位置流場(chǎng)設(shè)置初始條件：入口靜壓力5MPa，出口為自由出口，其他各面為WALL，接下來進(jìn)入CFX分析及后處理。其中，有先導(dǎo)結(jié)構(gòu)通海閥最大開度時(shí)分析結(jié)果的中截面壓力分布和閥桿軸向力提取面如圖6所示。分析結(jié)果通過CFX函數(shù)提取命令對(duì)提取面上閥軒軸向總力進(jìn)行提取，將各位置開閥力列表繪圖如圖7所示。

圖7　有、無先導(dǎo)孔下深海通海閥開閥力Fig.7　The opening forces of the valves with and without pilot holes

由圖6可知：先導(dǎo)式通海閥在全開狀態(tài)下，通過先導(dǎo)孔流道的作用，使活塞上面處的壓力與閥門入口處壓力相同，提取面分為上下兩個(gè)部分，與實(shí)際閥體儲(chǔ)水腔與入口海水相連接相對(duì)應(yīng)。圖7中，有先導(dǎo)孔開閥力最大值32 724.1 N，無先導(dǎo)孔為64 334.7 N，有先導(dǎo)孔狀態(tài)下最大閥桿軸向力是無先導(dǎo)孔時(shí)的1/2.同時(shí)，在開啟度小于37.5mm時(shí)，無先導(dǎo)孔狀態(tài)下，閥桿軸向力始終在有先導(dǎo)孔閥桿軸向力上面，說明先導(dǎo)結(jié)構(gòu)在開啟度小于37.5 mm時(shí)起作用。

5　先導(dǎo)式深海通海閥開閥力試驗(yàn)

先導(dǎo)式深海通海閥采用液壓和手動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式。試驗(yàn)過程中，首先將閥門壓緊在弗賽特WHT-30-D-A/150型液壓閥門試驗(yàn)臺(tái)上，并使閥門處于正常關(guān)閉狀態(tài)，電磁離合器處于斷開狀態(tài)，給閥門打壓設(shè)定壓力值為5 MPa，利用套管及扭力板手打開閥門，記錄開閥過程中最大扭力值。試驗(yàn)裝置如圖8所示，扭力板手選用準(zhǔn)矩/BNB50型。

圖8　先導(dǎo)式深海通海閥開啟力試驗(yàn)裝置Fig.8　The opening force experimental facility for the pilot-operated valve

表5中數(shù)據(jù)采用除去最大值40.5 N·m及最小值37.0 N·m，剩余值采用加和求平均值的方法進(jìn)行流動(dòng)解通過（2）式可求出測(cè)得轉(zhuǎn)矩的平均值

將表5中已知量代入（2）式得Ta=（37.5+40.0+ 39.0+37.5+37.5+39.5+40.0+38.0）/8= 38.625 N·m.手動(dòng)開閥時(shí)，扭力板手通過套管將扭力傳給齒輪箱中的上下圓錐滾子軸承固定小齒輪，小齒輪再傳給圓錐滾子軸承固定大齒輪，大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，中間孔上的梯形螺紋與不可繞自身旋轉(zhuǎn)的閥桿上梯形螺紋相配合，將閥桿上下提動(dòng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)閥，先導(dǎo)式通海閥齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9所示。

表5　深海通海閥開啟扭矩值Tab.5　The opening torques of the deep diving outboard valve

圖9　通海閥齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.9　The gear box internal structure of pilot-operated valve

用手動(dòng)開閥時(shí)開閥扭矩與閥桿受力之間的關(guān)系可用方程組（3）式～（7）式求解：

式中：i為齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)比，取3；T為開閥力矩（N·m）；η為齒輪傳動(dòng)效率，取0.98；Ψ為螺紋升角（°）；Pt為螺距（mm），其值7 mm；d2為螺紋中徑（mm），其值40.5mm；fv為當(dāng)量摩擦系數(shù)；f為靜摩擦系數(shù)，取0.11；β為牙側(cè)角（°），其值為15°；ρ′為當(dāng)量摩擦角；F為閥桿軸向力（N），取32 500 N.

將各已知參數(shù)代入方程組中，求得開閥力矩T= 38.31N·m，與試驗(yàn)測(cè)得開啟轉(zhuǎn)矩Ta=38.625N·m，誤差為0.315 N·m，其結(jié)果在板手精度±3%范圍內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，以上的理論與仿真分析所得的先導(dǎo)式深海通海閥最大開啟力在測(cè)量精度范圍內(nèi)與試驗(yàn)結(jié)果相符。

6　結(jié)論

通過對(duì)先導(dǎo)式通海閥優(yōu)化前后流道流阻及開閥力分析，可得如下結(jié)論：

1）流道優(yōu)化前后在不同開度時(shí)具有不同的流流阻系數(shù)，并且在初始階段優(yōu)化后流道流阻有顯著改善。

2）通海閥通常工作處于全開或關(guān)閉狀態(tài)，仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，在全開狀態(tài)下優(yōu)化后流道流阻系數(shù)比原閥流道小2.42～2.45.

3）深海通海閥先導(dǎo)孔切實(shí)起到了減少開閥力做用，且在閥門開度小于37.5 mm時(shí)，先導(dǎo)結(jié)構(gòu)一直起作用。

4）先導(dǎo)結(jié)構(gòu)式通海閥最大開閥力仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量計(jì)算結(jié)果相符，有先導(dǎo)孔通海閥是無先導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)式通海閥最大開閥力的1/2.

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Research on Flow Resistance Coefficient and Opening Force of Deep Diving Outboard Pilot-operated Valve

LIU Shao-gang，ZHENG Da-yong，CHENG Qian-ju
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，Heilongjiang，China）

The flow resistance coefficient and opening force are themost important parameters for the evaluation of valve performance.In consideration of the influence of noise reduction optimization on the internal flow passage of pilot operated valve，the CFX software is used to simulate and analyze the flow resistance coefficients under different externalworking pressures and openings.The analysis results show that the flow resistance coefficient of optimized flow passage is less than thatof the original flow passage for the valve under low and full openings.The valveswith and without pilot hole are also statically analyzed by CFX software under different openings.the surface groups for extracting are determined according to the influence surface of actual valve rod axial force，and the axial forces of valve rod in different positions are obtained. The analysis results indicate that the pilot hole can reduce the opening force，and themaximum opening force of value with pilot hole is an half of that of value without pilot hole.The simulated opening force is validated by experiment，and the experimental result is consistentwith the simulation result.

ordnance science and technology；pilot-operated；outboard valve；flow resistance coefficient；opening force

TH122

A

1000-1093（2015）12-2363-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.021

2015-04-16

國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（Z192013B001）

劉少剛（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：liushaogang@hrbeu.edu.cn