基于熱流固耦合的多級(jí)降壓閥構(gòu)件變形分析

葛長(zhǎng)榕，徐東濤，孟祥瑞，于曉光

(遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

引言

在工業(yè)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是不可缺少的元件之一，能起到控制流量、穩(wěn)壓、節(jié)流等作用[1-3]。隨著科技發(fā)展，高壓差、高溫介質(zhì)等工況對(duì)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作可靠性和流量特性的要求越來(lái)越高[4-5]。

為了起到節(jié)流、降壓等作用，調(diào)節(jié)閥的套筒結(jié)構(gòu)有迷宮盤(pán)片式，窗口式和多孔型套筒式等。李樹(shù)勛等[6]設(shè)計(jì)了多通道迷宮盤(pán)片調(diào)節(jié)閥，該閥采用迷宮盤(pán)片和多級(jí)套筒組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)良好的降壓、降噪作用，并對(duì)該閥的渦激振動(dòng)進(jìn)行仿真研究。劉佳等[7]對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥在高壓差工況下的降壓控速能力進(jìn)行數(shù)值模擬，改進(jìn)了流道結(jié)構(gòu)。迷宮盤(pán)片式套筒閥的迷宮式流道設(shè)計(jì)具有良好的壓降和控制流速效果，但對(duì)閥的流量有較大限制。王偉波等[8]對(duì)多孔式套筒調(diào)節(jié)閥的節(jié)流套筒開(kāi)孔進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)其流激共振特性進(jìn)行研究。徐曉剛等[9]研究了多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥套筒層數(shù)對(duì)閥內(nèi)壓力、流速及噪聲的影響。

為了保證此類(lèi)調(diào)節(jié)閥在高溫、高壓條件下的動(dòng)作可靠性，對(duì)閥塞與內(nèi)套筒的配合面間隙設(shè)計(jì)尤為重要。間隙大會(huì)產(chǎn)生一定的溢流，小開(kāi)度的流量難以控制；間隙小時(shí)，閥內(nèi)件在高溫、高壓作用下引起變形，從而導(dǎo)致閥塞與內(nèi)套筒卡塞，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確控制出口流量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成生產(chǎn)線的損壞。劉曉紅等[10]針對(duì)液壓滑閥在不同工作壓力、徑向間隙、開(kāi)口的間隙內(nèi)溫度分布進(jìn)行了解析。呂玥婷等[11]得到液壓滑閥的油液溫度場(chǎng)、固體溫度場(chǎng)以及熱變形規(guī)律，有效地防止閥芯的徑向變形導(dǎo)致的閥芯卡緊現(xiàn)象。李樹(shù)勛等[12]分析了蝶閥在熱流固耦合條件下其流場(chǎng)特性以及蝶板的應(yīng)力變形、模態(tài)和流體引起的振動(dòng)。

本研究提出一種具有多級(jí)降壓功能的多孔型套筒閥，在流道中設(shè)置了四級(jí)降壓套筒。利用ANSYS Workbench熱流固耦合模塊對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部熱流固耦合場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，校驗(yàn)了閥的流量特性和內(nèi)部流場(chǎng)的靜壓分布，仿真得到閥內(nèi)件在熱流固耦合場(chǎng)作用下的變形，分析各物理場(chǎng)對(duì)閥內(nèi)件變形的影響程度。最后，仿真得到閥塞與內(nèi)套筒配合面變形后的間隙，對(duì)選擇內(nèi)套筒與閥塞的尺寸公差，確保調(diào)節(jié)閥具有良好的流量特性和動(dòng)作可靠性具有重大意義。

1 多孔型多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)描述

多孔型多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中省略了一些密封、墊圈等零件。閥塞的外圓柱面與內(nèi)套筒的內(nèi)表面為配合面。通過(guò)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥桿上下運(yùn)動(dòng)，以改變內(nèi)套筒上節(jié)流孔露出的流通面積以控制出口流量。設(shè)計(jì)孔的大小和布局可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥符合不同的流量特性。

2 多孔型多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的降壓套筒設(shè)計(jì)

多孔型多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥在內(nèi)套筒周?chē)O(shè)置降噪籠式閥座和2層多孔套筒，可實(shí)現(xiàn)降壓、降噪。多孔型內(nèi)套筒除了可以控制閥的流量特性外，也具有一定的降壓作用。

1.閥體 2.降噪籠式閥座 3.降壓套筒 4.內(nèi)套筒5.閥塞 6.壓籠 7.閥桿 8.上閥蓋圖1 多孔型多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥

流體介質(zhì)經(jīng)過(guò)各個(gè)套筒時(shí)，高壓差逐級(jí)分散壓降。當(dāng)多級(jí)降壓的每一級(jí)壓降壓差大于阻塞流壓差時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生阻塞流及閃蒸、空化現(xiàn)象。當(dāng)多孔型多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥流體介質(zhì)按高壓蒸汽設(shè)計(jì)時(shí)，多級(jí)套筒前后降壓Δpi應(yīng)小于蒸汽臨界壓系數(shù)[13-14]。

降壓級(jí)數(shù)n可表達(dá)為：

n=-3.85 lg(p2/p1)

(1)

式中，p1—— 閥前壓力

p2—— 閥后壓力

每級(jí)降壓套筒前后壓差比為：

(2)

當(dāng)閥前壓力p1= 4.1 MPa，閥后壓力p2= 0.5 MPa時(shí)，根據(jù)式(2)可得每級(jí)套筒壓降量，如表1所示。

表1 各級(jí)套筒壓降量

在保證100%開(kāi)度流量和每一級(jí)降壓的壓差小于蒸汽臨界壓系數(shù)的前提下，結(jié)合式(2)，可求出每級(jí)降壓套筒的開(kāi)孔面積：

(3)

式中，G—— 介質(zhì)質(zhì)量流量

C0—— 單孔節(jié)流孔流量系數(shù)，可查表獲得

M—— 流體介質(zhì)摩爾質(zhì)量

Z—— 介質(zhì)壓縮系數(shù)

T—— 介質(zhì)溫度

k—— 絕熱指數(shù)

開(kāi)口面積分?jǐn)偟礁鱾€(gè)孔后，由式(3)可得到多級(jí)套筒上開(kāi)孔個(gè)數(shù)與孔徑之間的關(guān)系式：

(4)

式中，N—— 開(kāi)孔個(gè)數(shù)

d0—— 開(kāi)孔直徑

由式(4)可以分別設(shè)計(jì)出每級(jí)降壓套筒的節(jié)流孔的配置。

3 多孔型多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥仿真模型建立

3.1 虛擬仿真模型建立和網(wǎng)格劃分

流體仿真模擬前對(duì)多孔型多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥建立虛擬仿真模型，公稱(chēng)通徑DN為250 mm，閥塞直徑為165 mm。

根據(jù)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特征和出、入口邊界條件等因素，以及平面對(duì)稱(chēng)性，為減少計(jì)算量，提高仿真計(jì)算效率，仿真時(shí)采用一半模型。

多孔型套筒式調(diào)節(jié)閥流體網(wǎng)格模型由ANSYS Meshing軟件劃分完成，采用六面體/四面體混合網(wǎng)格劃分方法，對(duì)流體局部進(jìn)行加密處理。并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，以調(diào)節(jié)閥全開(kāi)(100%開(kāi)度)工況下，穩(wěn)態(tài)模擬得到調(diào)節(jié)閥出口流量以及出口平均流速大小作為評(píng)判依據(jù)。

3.2 介質(zhì)材料屬性與邊界條件

根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)定調(diào)節(jié)閥介質(zhì)材料為高壓蒸汽，其密度為13.49 kg/m3。設(shè)定調(diào)節(jié)閥入口壓力和出口壓力分別為4.1 MPa和0.5 MPa，介質(zhì)溫度為693.15 K。根據(jù)調(diào)節(jié)閥形狀特點(diǎn)和內(nèi)流場(chǎng)屬性，同時(shí)考慮內(nèi)流場(chǎng)具有高回轉(zhuǎn)性、明顯壓降性、調(diào)節(jié)流量過(guò)程中內(nèi)流場(chǎng)流速變化等因素采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[15-16]。

保留調(diào)節(jié)閥兩端一定長(zhǎng)度的管路，管路兩端和閥桿上部添加位移約束，保證閥體不會(huì)對(duì)閥內(nèi)部件產(chǎn)生擠壓影響。閥內(nèi)零件材料采用15CrMo。

4 數(shù)值仿真分析

4.1 內(nèi)流場(chǎng)仿真數(shù)值分析

閥塞行程為100 mm，流通方式采用底進(jìn)側(cè)出。經(jīng)過(guò)仿真測(cè)得該閥的流量系數(shù)Cv值為356.32，符合直線型流量特性。仿真得到各開(kāi)度H相對(duì)流量系數(shù)C與直線型流量特性理論值對(duì)比曲線如圖2所示。

圖2 仿真相對(duì)流量系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖2中縱坐標(biāo)為相對(duì)流量系數(shù)，無(wú)量綱。從圖2可以看出，多孔型調(diào)節(jié)閥各個(gè)開(kāi)度的流量誤差均在允許誤差范圍內(nèi)。誤差最大在開(kāi)度70%處，誤差值為4.06%；開(kāi)度60%和80%處，流量略大；開(kāi)度100%時(shí)，流量略小?；趫D2的比較可以適當(dāng)減小開(kāi)度60%～80%位置的節(jié)流孔直徑或增大節(jié)流孔間距，在開(kāi)度90%和100%位置適當(dāng)增大節(jié)流孔直徑，使得該閥具有更準(zhǔn)確的流量特性。

進(jìn)入CFD-Post單元中，可以得到不同開(kāi)度下流場(chǎng)的壓力分布云圖，如圖3所示。

圖3 不同開(kāi)度下內(nèi)流場(chǎng)壓力云圖

圖3a～圖3f分別是調(diào)節(jié)閥在10%，30%，50%，70%，90%，100%開(kāi)度下內(nèi)流場(chǎng)壓力分布云圖。圖3a和圖3b中只有最內(nèi)層套筒下面幾排節(jié)流孔的一部分處于流通狀態(tài)，閥內(nèi)流體的靜壓在節(jié)流孔處產(chǎn)生明顯壓降。小開(kāi)度流量相對(duì)較小，其他幾級(jí)降壓效果不明顯。從圖3c到圖3f可以看出，隨著開(kāi)度增大，流體介質(zhì)經(jīng)過(guò)4級(jí)降壓套筒后均有明顯壓降。圖3f是100%開(kāi)度時(shí)內(nèi)流場(chǎng)壓力分布云圖，符合表1中設(shè)計(jì)的壓降規(guī)律；內(nèi)套筒的節(jié)流孔不僅能較好地控制流量特性，也有一定的降壓功能。

4.2 熱流固耦合場(chǎng)變形分析

在熱流固多場(chǎng)耦合作用下，當(dāng)閥塞和內(nèi)套筒配合面上某一位置閥塞徑向變形后的尺寸大于內(nèi)套筒徑向變形后的尺寸時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，調(diào)節(jié)閥將無(wú)法正常工作。在仿真系統(tǒng)中，采用圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)，Y軸指向閥桿的軸向，根據(jù)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，內(nèi)套筒與閥塞在Y軸方向變形對(duì)閥的流量特性略有影響，但是影響內(nèi)套筒與閥塞之間運(yùn)動(dòng)可靠性主要是其徑向變形。X軸向的徑向增量為零件變形值。

根據(jù)調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置各構(gòu)件的約束和配合間隙。設(shè)置套筒和閥塞之間配合間隙為0.073 mm。由ANSYS Workbench靜力學(xué)模塊計(jì)算得到易卡塞構(gòu)件閥塞與內(nèi)套筒在熱流固耦合條件下的徑向變形云圖，如圖4所示。

圖4 開(kāi)度50%時(shí)，內(nèi)套筒和閥塞徑向變形云圖

圖4為調(diào)節(jié)閥在50%開(kāi)度下閥塞和內(nèi)套筒在熱流固多場(chǎng)耦合條件下的徑向變形云圖。其變形均是正變形，說(shuō)明其所有尺寸均有增大趨勢(shì)。閥塞最大變形處在外圓柱面上，其值為0.449 mm，最小變形處在與閥桿連接的內(nèi)孔面上；內(nèi)套筒最大變形處在上部盤(pán)蓋的外圓周面上，其值為0.926 mm；最小變形處在內(nèi)圓柱面上，其值為0.435 mm。

調(diào)節(jié)閥卡塞主要發(fā)生在內(nèi)套筒和閥塞的配合圓柱面上，所以研究配合圓柱面的徑向變形更有意義。以50%開(kāi)度為例，仿真得到內(nèi)套筒和閥塞配合圓柱面徑向變形云圖，如圖5所示。

圖5a為內(nèi)套筒配合圓柱面在熱流固多場(chǎng)作用下的徑向變形云圖，最大變形處是接觸面下端邊線，變形值為0.448 mm，最小變形處是接觸面上端邊線，其值為0.435 mm。圖5b為閥塞外配合圓柱面在熱流固多場(chǎng)作用下的徑向變形云圖，最大變形處在接觸面下端邊線，其值為0.449 mm，最小變形處在接觸面上端邊線，其值為0.438 mm。回轉(zhuǎn)體構(gòu)件在溫度場(chǎng)作用下本應(yīng)四周具有相同的變形，但由于調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)介質(zhì)壓力的影響，構(gòu)件表面變形呈不均勻分布，出口端一側(cè)變形偏大，而另一側(cè)變形偏小。從數(shù)值上看閥塞變形的最大值要大于內(nèi)套筒變形的最小值，如果變形極值發(fā)生在同一位置，就會(huì)出現(xiàn)卡塞。

圖5 開(kāi)度50%時(shí)內(nèi)套筒和閥塞配合面徑向變形云圖

利用靜力學(xué)模塊中GAP功能，測(cè)量變形后間隙。測(cè)得開(kāi)度10%，50%和100%時(shí)，內(nèi)套筒和閥塞的間隙如圖6～圖8所示。

圖6 開(kāi)度10%時(shí)內(nèi)套筒和閥塞配合面變形后間隙

圖6a、圖7a、圖8a設(shè)置配合面半徑方向間隙為0.073 mm，而圖6b、圖7b、圖8b設(shè)置配合面半徑方向間隙為0.010 mm。仿真數(shù)值為負(fù)說(shuō)明內(nèi)套筒和閥塞配合面間存在間隙，數(shù)值為0說(shuō)明內(nèi)套筒和閥塞配合面有接觸，出現(xiàn)固體之間的擠壓，會(huì)出現(xiàn)卡塞。從圖6中可以看出，10%開(kāi)度，設(shè)置配合面間隙為0.073 mm時(shí)，最小間隙為0.061 mm；配合面間隙為0.010 mm時(shí)，最小間隙為0.004 mm，不會(huì)出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象。從圖7看出，50%開(kāi)度，當(dāng)設(shè)置配合面間隙為0.073 mm時(shí)，最小間隙仍為0.058 mm；配合面間隙為0.010 mm時(shí)，最小間隙為0 mm，在內(nèi)套筒內(nèi)圓柱面上部出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象。從圖8看出，100%開(kāi)度，設(shè)置配合面間隙為0.073 mm時(shí)，最小間隙為0.063 mm；配合面間隙為0.010 mm時(shí)，最小間隙為0 mm，在內(nèi)套筒內(nèi)圓柱面上部出現(xiàn)大面積的卡塞現(xiàn)象。

圖7 開(kāi)度50%時(shí)內(nèi)套筒和閥塞配合面變形后間隙

圖8 開(kāi)度100%時(shí)內(nèi)套筒和閥塞配合面變形后間隙

為了找到該調(diào)節(jié)閥閥塞和內(nèi)套筒配合面變形會(huì)出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象的預(yù)設(shè)間隙臨界值。分別設(shè)置間隙值為0.011，0.012，0.013，0.014 mm，做相應(yīng)的仿真分析，其仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同設(shè)置間隙值下配合面的仿真最大間隙值 mm

從表2可以看出，當(dāng)預(yù)設(shè)間隙值為0.014 mm時(shí)，3種開(kāi)度最小值均大于0，故不會(huì)卡塞；預(yù)設(shè)間隙值為0.013 mm時(shí)，100%開(kāi)度的最小值等于0，發(fā)生卡塞；預(yù)設(shè)間隙值為0.011 mm和0.012 mm時(shí)，開(kāi)度50%和100%的最小值等于0，發(fā)生卡塞。因此，可以得出調(diào)節(jié)閥的閥塞和內(nèi)套筒的配合面的最小間隙應(yīng)為0.014 mm以上才能保證調(diào)節(jié)閥不會(huì)出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象。所以按φ165D9/h9設(shè)計(jì)配合尺寸時(shí)，預(yù)設(shè)配合面間隙為0.073 mm時(shí)，調(diào)節(jié)閥在上述溫度和壓差條件下工作是安全可靠的。

為了考查不同物理場(chǎng)和不同開(kāi)度對(duì)構(gòu)件變形的影響程度，仿真得到內(nèi)套筒配合面不同開(kāi)度H，在熱流固耦合和熱固耦合條件下的最小變形量Dr對(duì)比曲線如圖9所示。仿真得到閥塞配合面不同開(kāi)度，在熱流固耦合和熱固耦合條件下的最大變形量對(duì)比曲線如圖10所示。

圖9 不同開(kāi)度內(nèi)套筒內(nèi)表面最小變形對(duì)比圖

圖10 不同開(kāi)度閥塞外表面最大變形對(duì)比圖

圖9和圖10中縱坐標(biāo)為徑向變形，兩條曲線的差值是流場(chǎng)壓力對(duì)內(nèi)套筒和閥塞配合面變形的影響。仿真時(shí)，閥內(nèi)件間或留有足夠大的間隙，或裝配有柔性密封墊圈，不會(huì)出現(xiàn)固體間的擠壓變形。顯然當(dāng)調(diào)節(jié)閥的介質(zhì)是693.15 K的高壓蒸汽時(shí)，溫度場(chǎng)產(chǎn)生的變形影響最為顯著，變形量在0.439～0.442 mm之間，閥內(nèi)流場(chǎng)對(duì)構(gòu)件也有一些較小影響，變形量在0.005～0.015 mm之間。在高開(kāi)度時(shí)，由于內(nèi)套筒兩側(cè)的壓差較大，變形值會(huì)更大。流場(chǎng)壓力產(chǎn)生的變形最大。溫度場(chǎng)對(duì)回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件變形影響具有各向同性，且有都增大的趨勢(shì)，而流場(chǎng)壓力受流向、流道以及漩渦等因素影響各向不同。在高開(kāi)度時(shí)，盡管內(nèi)套筒和閥塞配合面面積較小，但閥塞和內(nèi)套筒的兩側(cè)壓差較大，所以更容易出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，這與表2得出的結(jié)論相同。

5 結(jié)論

(1) 多孔型多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的降噪籠式閥座、降壓套筒和內(nèi)套筒具有良好的降壓效果，同時(shí)通過(guò)對(duì)節(jié)流孔的配置，可以滿(mǎn)足不同流量特性；

(2) 在多場(chǎng)耦合條件下，閥體構(gòu)件變形數(shù)值中，溫度場(chǎng)對(duì)構(gòu)件變形影響最為顯著，閥內(nèi)流場(chǎng)壓力也會(huì)產(chǎn)生微小變形，且有變形不均勻性特點(diǎn)；

(3) 通過(guò)熱流固耦合仿真分析可知，高開(kāi)度時(shí)，更易于出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)閥塞和內(nèi)套筒配合面間隙的仿真，可為設(shè)計(jì)該配合面的尺寸公差提供依據(jù)，使調(diào)節(jié)閥即具有良好的動(dòng)作可靠性，又可保證調(diào)節(jié)閥具有較好的流量特性。