油煤漿調(diào)節(jié)閥閥桿扭矩成因分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱學軍,楊方元,田小青,李虎生

(1.寧夏大學機械工程學院,寧夏 銀川 750021; 2.吳中儀表有限責任公司,寧夏 吳中 751100)

?

油煤漿調(diào)節(jié)閥閥桿扭矩成因分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱學軍1,楊方元1,田小青1,李虎生2

(1.寧夏大學機械工程學院,寧夏 銀川 750021; 2.吳中儀表有限責任公司,寧夏 吳中 751100)

用Solidworks建立油煤漿調(diào)節(jié)閥的三維實體模型,通過對閥桿機構(gòu)的扭矩作用分析,應用CFX流體分析軟件對流道內(nèi)介質(zhì)在不同壓力下的流動進行仿真,研究調(diào)節(jié)閥扭矩產(chǎn)生的原因.以減小扭矩為優(yōu)化目標,對調(diào)節(jié)閥閥芯及填料結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進,為調(diào)節(jié)閥的優(yōu)化設計提供參考方案.

調(diào)節(jié)閥; CFX; 扭矩; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

能源是社會和經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎,煤炭是我國的主要能源,在未來的相當長的時間內(nèi),我國能源以煤炭為主的格局是不會改變的.因此,立足于我國能源資源的特點,開發(fā)“煤代油”技術,對于我國的經(jīng)濟建設和能源安全具有戰(zhàn)略意義[1-2].油煤漿就是一種以成本較低的煤來部分代替石油的新型節(jié)油燃料,可用于燃油鍋爐和氣化爐燃料的替代產(chǎn)品.油煤漿是由煤粉、油和少量添加劑制成的混合物,具有石油類似的流動性,可以像石油那樣運輸、泵送、霧化、燃燒,而且節(jié)約了石油的用量.因此是一項具有可行性的新型燃料油.

隨著有煤漿的廣泛運用,調(diào)節(jié)閥在油煤漿的制備和運輸中起著至關重要的作用.油煤漿調(diào)節(jié)閥對流量的控制是通過改變節(jié)流的方式來達到,為了使高壓的油煤漿在輸送中降為低壓狀態(tài),需要對調(diào)節(jié)閥的節(jié)流大小進行控制.實現(xiàn)這一過程是需要通過控制閥桿扭矩大小來調(diào)節(jié)閥門開口大小來完成的.隨著壓差的不同變化,扭矩大小也應隨之改變,以確保整個閥門系統(tǒng)的穩(wěn)定性和出口油煤漿壓力的恒定不變.如何通過減小調(diào)節(jié)閥的扭矩,來降低執(zhí)行機構(gòu)的能耗,方便調(diào)節(jié)閥的操作，是本文想要解決的問題.

1 調(diào)節(jié)閥及流道模型的建立

文中采用的是一種ARC高壓油煤漿調(diào)節(jié)閥,其閥門公稱直徑為DN80,ANSI2500,介質(zhì)為油煤漿.流量特性為近似等百分比,Cv=17%(Cv為流量系數(shù)),行程90°,采用RB254-DA氣缸活塞執(zhí)行機構(gòu).ARC調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特點是,采用角行程方式,由調(diào)節(jié)閥的氣動執(zhí)行機構(gòu)提供扭矩,通過閥桿帶動閥芯在0°～90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)閥門流量的大小.

1.1 調(diào)節(jié)閥建模

采用Solidworks軟件進行調(diào)節(jié)閥三維建模,先對零部件進行建模,為了減少閥門出口的壓力和流速,在閥座的下方添加了導流座和兩組節(jié)流件.為了使模型與實際保持一致,建模過程中的所有數(shù)據(jù)與設計圖紙保持一致.對建好的三維零件模型,在Solidworks組裝界面進行組裝.在組裝過程中應注意,零件之間的裝配位置和配合關系,確保組裝后的裝配體與實際的閥門一致.裝配好的閥門總裝圖如圖1所示.

圖1 調(diào)節(jié)閥總裝剖視圖

1.2 流道建模及網(wǎng)格劃分

調(diào)節(jié)閥扭矩與流道內(nèi)介質(zhì)壓力有關,需要對調(diào)節(jié)閥的流道單獨進行建模.通過前面建好的調(diào)節(jié)閥三維模型,在Solidworks中采用組合、連接重組等命令將ARC調(diào)節(jié)閥流道的三維模型分離出來.針對閥芯不同開度分別建模,采用CFD的前處理模塊ICEM CFD對流道模型進行網(wǎng)格劃分,不同開度的網(wǎng)格劃分方法相同.調(diào)節(jié)閥90°開度時的流道圖及網(wǎng)格劃分圖如圖2,3所示.

圖2 90°開度流道三維模型圖

圖3 90°開度流道網(wǎng)格劃分圖

2 調(diào)節(jié)閥扭矩分析

ARC調(diào)節(jié)閥閥桿扭矩由兩個方面產(chǎn)生:機構(gòu)內(nèi)零部件的摩擦和介質(zhì)壓力的作用.

2.1 機構(gòu)的扭矩作用分析

通過對ARC調(diào)節(jié)閥機構(gòu)的分析可以發(fā)現(xiàn)ARC調(diào)節(jié)閥中主要產(chǎn)生扭矩部件在閥門的兩個部分.其中一個是閥芯與閥座之間的摩擦力產(chǎn)生的扭矩,閥芯與閥座的結(jié)構(gòu)圖與平面圖如圖4所示.

圖4 閥芯與閥座的結(jié)構(gòu)圖

閥芯與閥座之間的扭矩MF為

(1)

式中:F為彈簧預緊力;S1為介質(zhì)與閥芯之間的作用面積;S為閥芯與閥座之間的接觸面積;P為介質(zhì)的內(nèi)部壓力;μ為閥芯與閥座之間的摩擦力(合金鋼之間的摩擦系數(shù)取值為0.15)；r1為閥芯底部圓弧缺口處內(nèi)部小圓直徑；r2為閥芯底部輪廊的大圓直徑；t為直徑r的積分變量.

另一個是閥桿與填料之間產(chǎn)生的摩擦扭矩,閥桿與填料的結(jié)構(gòu)平面圖如圖5所示.

圖5 閥桿與填料的結(jié)構(gòu)平面圖

閥桿與填料之間的扭矩MT為[3]

(2)

式中:QT為閥桿與填料之間摩擦力；dF為填料作用在閥桿上的直徑.

(3)

式中：μT為填料與閥桿的摩擦系數(shù)(石墨的摩擦系數(shù)取值為0.15)；hT為填料的總高度;P為介質(zhì)作用車閥芯上的壓力.

故閥門中閥桿扭矩M為

(4)

由于閥門內(nèi)部還有部分較小的扭矩沒有考慮到,還有在實際工況中的各種不可預測的因素影響.因此在選擇執(zhí)行機構(gòu)的大小時,其輸出的扭矩應該是計算扭矩的1.5倍左右,這樣才能保證調(diào)節(jié)閥的正常運作.所以減小調(diào)節(jié)閥的扭矩可以從MF，MT兩個方面進行考慮.

2.2 調(diào)節(jié)閥介質(zhì)壓力作用分析

采用CFX流體分析軟件對不同壓力、不同開度時的流道內(nèi)介質(zhì)壓力特性進行數(shù)值模擬仿真,研究內(nèi)部流場的分布情況[4-6].試驗介質(zhì)為油煤漿:固體煤含量為57%,油煤含量53%,工作密度為1 090 kg·m-3,動力黏度v=587 mPa·S,溫度25℃.

2.2.1 40 MPa壓差下全開時流場模擬仿真分析

對在40 MPa壓差下90°開度時的調(diào)節(jié)閥進行數(shù)值模擬仿真,得到調(diào)節(jié)閥流道中心面處的壓力云圖，如圖6所示.

從圖6可以看出,壓力壓降階梯形表現(xiàn)比較明顯,進出口壓差較大,分別為40.86 MPa和0.79 MPa,流道的壓降主要用于克服調(diào)節(jié)閥節(jié)流元件的阻力.

2.2.2 不同壓差下不同開度時流場模擬的仿真結(jié)果分析

試驗設定壓差5，23.35，40 MPa3種情況,在0°～90°之間分6組等間距開度進行流道數(shù)值模擬仿真,仿真過程與40 MPa壓差全開度時的過程相同,對仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示.

圖6 90°開度壓力圖

表1 調(diào)節(jié)閥仿真結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出,油煤漿調(diào)節(jié)閥在同一壓差時,隨著開度的增大,流道中的最大壓力和閥門扭矩速都是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢.在調(diào)節(jié)閥中間開度45°時壓力和扭矩都達到最大值.而對于同一開度不同壓差時,流道中的最大壓力和閥門扭矩都隨這壓差的增大而增大.所以在考慮到延長調(diào)節(jié)閥的使用壽命時,可以在滿足流量的要求時盡量避開中間開度和高壓差下使用調(diào)節(jié)閥.

3 調(diào)節(jié)閥的優(yōu)化改進及比較

根據(jù)上面分析出來的扭矩產(chǎn)生的原因,對調(diào)節(jié)閥的機構(gòu)進行優(yōu)化改進[7-10],降低閥門的扭矩并減少執(zhí)行機構(gòu)的能耗,具體優(yōu)化方案如下.

3.1 優(yōu)化方案一

通過閥芯扭矩公式發(fā)現(xiàn)扭矩產(chǎn)與介質(zhì)作用在閥芯上的接觸面積有關.可以通過在增加閥芯桿部的直徑,來減小介質(zhì)與閥芯之間的接觸面積.為了防止閥芯桿部直徑過大阻礙介質(zhì)的流通,優(yōu)化后閥芯直徑取56 mm.優(yōu)化前后的閥芯結(jié)構(gòu)如圖7，8所示.

圖7 原閥芯結(jié)構(gòu)圖

圖8 優(yōu)化后閥芯結(jié)構(gòu)圖

通過計算,得到優(yōu)化后的閥芯扭矩和原扭矩的數(shù)值對比，如表2所示.

表2 閥芯扭矩計算結(jié)果

根據(jù)表2的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的閥芯扭矩與原閥芯扭矩相比,在介質(zhì)壓力為23.8 MPa情況下扭矩都減小了7.87%,明顯降低了閥芯扭矩的大小.

3.2 優(yōu)化方案二

圖9 原填料結(jié)構(gòu)圖

圖10 優(yōu)化后原填料結(jié)構(gòu)圖

通過計算,得到優(yōu)化后的閥桿與填料的摩擦扭矩和原扭矩的數(shù)值對比，如表3所示.

表3 閥桿與填料的摩擦扭矩計算結(jié)果

根據(jù)表3的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的閥芯扭矩與原閥芯扭矩相比,在介質(zhì)壓力為23.8 MPa的情況下扭矩都減小了25.32%，減小很多,因此這種優(yōu)化方案比較理想.

3.3 優(yōu)化方案三

在保證調(diào)節(jié)閥進、出口壓力不變的情況下,可以通過何降低閥芯出的介質(zhì)壓力的方法來減小調(diào)節(jié)閥的扭矩.通過將閥座流道口進行向上切除拔模2°來實現(xiàn),優(yōu)化前后閥座的三維圖如圖11，12所示.

圖11 原閥座三維圖

對優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥按照前面的處理方法進行數(shù)值模擬仿真,為了減少計算，本次優(yōu)化只針對實際工況壓差23.35 MPa下15°，45°,90°3個有代表性的開度進行仿真,然后計算優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥扭矩大小,數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表4所示.

圖12 修改后閥座三維圖

開度/(°)原閥芯扭矩/(N·m)優(yōu)化后的閥芯扭矩/(N·m)變化率/%15313.52312.87-0.2145332.17326.92-1.5890316.20313.51-0.85

從表4可以看出,優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥扭矩(在3個開度下)比原來的扭矩都有所降低,雖然降低的不是很多,但這種閥座流道口的優(yōu)化方案為調(diào)節(jié)閥降低閥門扭矩提供了一種可行的參考方案.

4 結(jié)論

本文以減小扭矩為優(yōu)化目標,通過研究調(diào)節(jié)閥扭矩產(chǎn)生的原因,對調(diào)節(jié)閥閥芯及填料結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化改進,實現(xiàn)了優(yōu)化目的,并且該優(yōu)化方法對其他類閥門的優(yōu)化也具有一定的參考價值.

[1] 楊麗.中國煤炭科技發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].潔凈煤技術,2012(3):1-3.

YANG Li.Development and prospect of coal science and technology in China[J].Journal of Clean Coal Technology,2012(3):1-3.

[2] 張海洋.我國煤炭工業(yè)現(xiàn)狀及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[J].煤炭科學技術,2014,42(增 1):281-284.

ZHANG Haiyang.China coal industry status and sustainable development strategy[J].Journal of Coal Science and Technology,2014,42(supl 1):281-284.

[3] 陸培文.調(diào)節(jié)閥實用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

LU Peiwen.Valve practical technique[M].Beijing:China Machine Press,2006.

[4] 曾立飛,劉觀偉,毛靖儒,等.調(diào)節(jié)閥振動對閥內(nèi)流場影響的數(shù)值模擬[J].中國電機工程學報,2015,35(8):1977-1982.

ZENG Lifei,LIU Guanwei,MAO Jingru,et al.Numerical simulation for the effect of the control valve vibration on the flow field[J].Journal of Proceedings of the CSEE,2015,35(8):1977-1982.

[5] 王雯,傅衛(wèi)平,孔祥劍,等.單座式調(diào)節(jié)閥閥芯-閥桿系統(tǒng)流固耦合振動研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2014,45(5):291-298.

WANG Wen,FU Weiping,KONG Xiangjian,et al.Research on fluid-structure coupling vibration of valve core-stem system in a single-type control valve[J].Journal of Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(5):291-298.

[6] 劉平.基于ANSYS CFX的吸魚泵的內(nèi)部流場分析[J].流體機械,2014(11):43-46.

LIU Ping.Flow analysis of fish pump base on ANSYS CFX[J].Journal of Fluid Machinery,2014(11):43-46.

[7] 顏震,汪歡,黎玉飛,等.煤氣化核心調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].液壓與氣動,2013,05:9-12.

YAN Zhen,WANG Huan,LI Yufei,et al.Numerical simulation and structure optimization for the key control valve used in coal gasification[J].Journal of Chinese Hydraulics & Pneumatics,2013(5):9-12.

[8] 林雯,潘功勝,郭曉鐳,等.Shell煤氣化裝置中煤粉流量調(diào)節(jié)閥性能研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2014,37(1):41-44.

LIN Wen,PAN Gongsheng,GUO Xiaolei,et al.Performance study on coal mass flowrate regulating valve in shell coal gasification plant[J].Journal of Coal Conversion,2014,37(1):41-44.

[9] 謝金偉,王新軍,廖高良,等.汽輪機調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級段三維流動與壓力損失數(shù)值研究[J].中國電機工程學報,2014,34(20):3376-3383.

XIE Jinwei,WANG Xinjun,LIAO Gaoliang,et al.Numerical investigations on 3D flow characteristics and pressure loss in control valves-control stage in steam turbine[J].Journal of Proceedings of the CSEE,2014,34(20):3376-3383.

[10] 曹芳,王勇,安延濤,等.大型煤氣調(diào)節(jié)閥流固耦合分析[J].機床與液壓,2011,39(11):10-14.

CAO Fang,WANG Yong,AN Yantao,et al.Fluid-structure interaction analysis for large-scale gas control valve[J].Journal of Machine Tool & Hydraulics,2011,39(11):10-14.

Torque causation analysis and structural optimization on oil-coal slurry valve stem

ZHU Xue-jun,YANG Fang-yuan,TIAN Xiao-qing,LI Hu-sheng

(1.College of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.Wuzhong Instrument Co.，Ltd.，Wuzhong 751100，China)

Based on the 3D solid modeling via SolidWorksTM for oil-coal slurry valve, the torque effect on valve-stem mechanism is first analyzed.Then, the causation analysis is postulated using CFX method for flow simulation on internal media under different pressures.To reduce the torque, the regulator valve core and packing structure are improved to provide a reference to valve optimal design.

control valve; CFX; torque; structural optimization

朱學軍(1970-),男，教授.E-mail:zxjxu@sohu.com

V 214.1

A

1672-5581(2016)03-0239-05