三偏心蝶閥流量特性數(shù)值分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張杰，徐志新，成陽，楊健

（江蘇神通閥門股份有限公司，江蘇啟東 226232）

0 引言

蝶閥在工業(yè)系統(tǒng)中大量應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)從中線向單偏心、雙偏心、三偏心不斷的演變。三偏心蝶閥在啟閉過程中，閥座與蝶板密封面沒有任何接觸，完全通過閥座的接觸面壓進(jìn)行密封，因此更耐高溫、啟閉力矩小、壽命長、密封性好，使用范圍非常廣[1-2]。

目前學(xué)者對三偏心蝶閥的流量特性做了一些研究：韓志杰、霍增輝等[3-4]分析了蝶閥的3個(gè)偏心值對流量系數(shù)和流阻系數(shù)的影響；劉惺等[5]分析出了三偏心蝶閥的內(nèi)部流場變化規(guī)律及不同關(guān)閥速度對蝶板的動(dòng)水壓強(qiáng)的變化規(guī)律。本文在前期科研工作者理論分析基礎(chǔ)上，結(jié)合公司生產(chǎn)實(shí)際對不同結(jié)構(gòu)的三偏心蝶閥的內(nèi)部流場特性進(jìn)行分析，得到滿足工程使用需求的三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)。并對三偏心蝶閥進(jìn)行不同開度下的流量分析，驗(yàn)證適合流量調(diào)節(jié)的開度區(qū)間。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

如圖1所示，三偏心蝶閥的主要特點(diǎn)是其3個(gè)重要偏心量：軸向偏心量a——密封面偏離軸中心線的距離；徑向偏心量b——軸中心線偏離閥體和蝶板的幾何中心；角偏心量β——密封面的錐面軸線偏離蝶板幾何中心線的角度。

圖1 三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 流量系數(shù)和流阻系數(shù)

流量系數(shù)的計(jì)算公式[6]為

式中：Q為體積流量，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；ΔPv為閥門前后壓差，kPa，ΔPV取整體壓差與管道壓差的差值；v為介質(zhì)平均流速。

1.3 計(jì)算模型及參數(shù)

分析對象為DN600口徑的三偏心蝶閥，在三維軟件SolidWorks中建立閥門模型及閥門前后端5倍和10倍閥門公稱直徑長度的管道。在ANSYS Geometry中對閥門內(nèi)部進(jìn)行流體填充得到流體域模型，通過切片將管道和閥體內(nèi)部流體域分開然后合并為一個(gè)part。

網(wǎng)格質(zhì)量對流場分析影響很大，合適的網(wǎng)格數(shù)量是保證計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)長的關(guān)鍵。網(wǎng)格劃分時(shí)管道部分流體采用六面體網(wǎng)格，閥腔部分網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，并對局部壁厚薄的流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。

流體介質(zhì)為水，狀態(tài)為紊流，計(jì)算模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型；求解方法采用壓力耦合方程的半隱式SIMPLE算法；邊界條件為速度入口（v=4 m/s），壓力出口（1個(gè)大氣壓）。

2 流場數(shù)值分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前三偏心蝶閥的蝶板結(jié)構(gòu)主要分為桁架式和龜背式。桁架式蝶板結(jié)構(gòu)既可以通過焊接也可以通過鑄造制造，可靈活調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剛度，在大口徑及超大口徑蝶閥上應(yīng)用較多。而龜背式蝶板通過鑄造成型，其承壓面成龜背形，流量特性較好，在作為調(diào)節(jié)用的三偏心蝶閥上應(yīng)用較多[7]。本次分析的蝶板結(jié)構(gòu)均是龜背式蝶板，其偏心距和偏心角在實(shí)際應(yīng)用中都經(jīng)過了適宜性驗(yàn)證。

2.1 原始方案流場分析

原始方案為常用的三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)，圖2為二維示意圖，與流體接觸的零部件主要包括閥體、蝶板、密封圈、壓板、閥軸。閥門全開時(shí)流體域及網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 原始方案二維圖

圖3 原始方案流體域及網(wǎng)格劃分模型

求解迭代800步，待完全收斂后得到閥門和管道系統(tǒng)總壓差ΔP1為9.94 kPa，管道系統(tǒng)壓差ΔP2為1.45 kPa，計(jì)算得流量系數(shù)KV為11 000，流阻系數(shù)ζ為1.05。因流阻系數(shù)偏大不能滿足工程要求。需要對原始方案進(jìn)行改進(jìn)。

圖4和圖5中的流體流向均從左向右，從圖4和圖5可以看出，左側(cè)入口的流速和壓力都比較均勻；當(dāng)水流通過蝶板時(shí)，由于蝶板、密封圈和壓板的阻擋，流通面積減小，造成壓力減小，流速增大。在蝶板上固定閥軸的凸臺后側(cè)形成負(fù)壓區(qū)，流速最大達(dá)到10.87 m/s。從圖4可以看出，在壓圈內(nèi)側(cè)和固定閥軸凸臺后側(cè)會(huì)形成漩渦，增大阻力系數(shù)。之后應(yīng)該對三偏心蝶板的這些區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以減小流阻系數(shù)。

圖4 原始方案90°開度下流速矢量分布圖

圖5 原始方案90°開度下壓力梯度分布圖

2.2 改進(jìn)方案流場分析

為了減少蝶板、密封圈、壓板對流體的阻隔效應(yīng)，需要將蝶板和壓板減薄。但目前該結(jié)構(gòu)中壓板的作用是與蝶板連接固定密封圈，由于壓板上需要打沉頭螺釘孔，所以需要保證一定的厚度，壓板減薄的空間很小。只能對固定蝶板的凸臺和蝶板龜背面進(jìn)行減薄。凸臺可由原來的壁厚減少40%，而龜背式蝶板面厚度最大減薄量為10%。整體來看減薄空間很小，所以本文直接舍棄該方案。

為了能減掉壓板和密封圈的厚度，本方案將密封圈和壓板直接改為固定在閥體上的結(jié)構(gòu)，同時(shí)按上述分析將固定閥軸的凸臺和蝶板厚度均進(jìn)行減薄，這樣大大減弱了蝶板和壓板在厚度方向?qū)α黧w的阻隔作用。而偏心距和偏心角均保持不變，改進(jìn)方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 改進(jìn)方案二維圖

對改進(jìn)方案進(jìn)行流場分析后，得到閥門和管道系統(tǒng)總壓差ΔP1為5.74 kPa，比原始方案降低了4.2 kPa，計(jì)算得流量系數(shù)KV為19 365，流阻系數(shù)ζ為0.54。KV值比原始方案提高了76%，流阻系數(shù)比原始方案降低49%，能滿足工程要求。

從圖7 和圖8可以看出，壓板和密封圈移到閥體上后，蝶板對流體的阻隔作用大大減?。蛔罡吡魉佥^原始方案有下降，固定閥軸凸臺右側(cè)的負(fù)壓區(qū)域減少，原始方案壓板內(nèi)側(cè)的旋渦消失。以上分析均表明，該改進(jìn)方案完全符合預(yù)期。

圖7 改進(jìn)方案90°開度下流速矢量分布圖

圖8 改進(jìn)方案90°開度下壓力梯度分布圖

3 改進(jìn)方案不同開度下流場特性分析

對蝶閥從關(guān)閉至完全開啟過程中不同開度下的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，每5°一個(gè)開度，從5°～90°共18個(gè)開度進(jìn)行模擬，計(jì)算流體流經(jīng)閥門的壓差ΔP，擬合出閥門的流量特性曲線。圖9中截取了開度為10°、30°、60°、90°開 度 下的流線圖。

圖9 不同開度下閥門的流線圖

從圖9可以看出，不同開度下蝶閥的流線分布差別很大，從部分開啟到完全開啟流速逐漸均勻。蝶閥在60°開度之前蝶板背部及閥門出口區(qū)域均產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，隨著開度的增大，渦流區(qū)域和渦流尺寸均開始減小。這種現(xiàn)象主要是因流體在蝶板上下邊緣受物理阻隔，蝶板正面壓力增大，蝶板背部形成負(fù)壓區(qū)，從蝶板邊緣流過的流體流速突然增大，帶走大部分流體，少部分流體在蝶板背部形成渦流。隨著開度的增大，蝶板及閥座區(qū)域的流體速度逐漸平緩。

根據(jù)分析結(jié)果，經(jīng)計(jì)算繪制了三偏心蝶閥在不同開度下的流量系數(shù)特性曲線，如圖10所示。

從圖10可以看出，從0°～85°內(nèi)，KV值隨著開度的增大而增大，基本呈線性增長。在5°～45°區(qū)間內(nèi)增加幅度比較平緩，在50°～85°范圍內(nèi)增加幅度比較大，85°開度以上時(shí)KV值一直保持不變。蝶閥在45°時(shí)的流量系數(shù)為5055，而全開時(shí)的流量系數(shù)為19 365，后者為前者的3.8倍。

圖10 閥門流量特性曲線

以上數(shù)據(jù)表明，該結(jié)構(gòu)的三偏心蝶閥在開度在5°～85°之間具有較好的調(diào)節(jié)能力。

4 結(jié)論

1）對三偏心蝶閥原始方案進(jìn)行流量分析，全開時(shí)蝶板厚度邊緣、固定閥軸凸臺、壓板對流體形成較大阻隔，降低流通能力。

2）改進(jìn)方案將壓板、密封圈移動(dòng)到閥體上，同時(shí)減薄蝶板厚度。最終流量系數(shù)較原始方案提升76%，能滿足工程要求。

3）該三偏心蝶閥在5°～45°開度內(nèi)流量系數(shù)增加平緩，在50°～85°開度內(nèi)上升較快，在5°～85°之間具有較好的調(diào)節(jié)能力。