V 型球閥閥芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

張皓男，宋金禮，王國(guó)峰，徐有寧，張文瀚，郭雨威

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院a.能源與動(dòng)力學(xué)院；b.工程技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179）

球閥作為一種能夠控制流體流動(dòng)自動(dòng)通斷的閥門已經(jīng)成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)［1-3］。V 型球閥具有可調(diào)節(jié)性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封嚴(yán)密可靠等優(yōu)點(diǎn)［4-6］。V 型球閥的可調(diào)節(jié)性能的優(yōu)劣可由閥芯的等百分比流量特性來判定。在一定相對(duì)開度下，閥芯的等百分比特性系數(shù)穩(wěn)定，表明調(diào)節(jié)性能好；反之，調(diào)節(jié)性能不理想?，F(xiàn)有的V 型球閥閥芯僅在相對(duì)開度較大的范圍內(nèi)才能保證較為穩(wěn)定的等百分比特性；而在相對(duì)開度較小的范圍，不能保證。因此，優(yōu)化閥芯的等百分比流量特性，使V 型球閥調(diào)節(jié)性能更為穩(wěn)定，逐漸成為閥門用戶們的迫切需求［7-10］。

近年來，為使球閥具有更穩(wěn)定的等百分比特性，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過數(shù)值仿真模擬的方式來測(cè)試或改進(jìn)閥芯的流量特性，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而針對(duì)V 型球閥閥芯的流量測(cè)試試驗(yàn)過程與設(shè)計(jì)優(yōu)化并重的研究還相對(duì)較少［11-17］。文獻(xiàn)[14]以數(shù)值模擬的方法來研究V 型球閥閥芯在較小的相對(duì)開度范圍內(nèi)，等百分比特性不夠穩(wěn)定的問題；文獻(xiàn)[15]以CFD 軟件對(duì)改進(jìn)的球閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比閥芯的等百比特性；文獻(xiàn)[16]利用CFDACE 代碼對(duì)球閥進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同節(jié)流孔直徑和流量條件下球閥的復(fù)雜流場(chǎng)、壓降、空化效應(yīng)以及流量系數(shù)的變化；文獻(xiàn)[17]以STAR-CD 軟件對(duì)球閥在不同開度下建立三維模型，以數(shù)值模擬的方法研究球閥的流量系數(shù)k和阻力系數(shù)。

本文對(duì)DN50 型V 型球閥閥芯的流量特性進(jìn)行分析，提出了V 型球閥閥芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)所提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 原始閥芯結(jié)構(gòu)

DN50 型V 型球閥的閥芯內(nèi)直徑為50 mm，原始設(shè)計(jì)開口角度為22.5°，初始設(shè)計(jì)流量為6.5 t/h，進(jìn)口壓力為392 280 Pa，具體實(shí)物及尺寸如圖1 所示。

圖1 DN50V型球閥實(shí)物及閥芯設(shè)計(jì)尺寸

V 型球閥閥芯優(yōu)化的重點(diǎn)是提高閥芯的等百分比流量特性的穩(wěn)定性。流量特性是指在固定壓降條件下，球閥的相對(duì)開度與通過閥芯流量的關(guān)系。V 型球閥的等百分比流量特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，RQ為球閥閥芯的等百比特性系數(shù)；l為某一開度下球閥的位移值；L為全開時(shí)球閥的位移值；Q為某一開度下通過閥芯的流量值；Qmax為全開時(shí)通過閥芯的流量值。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

對(duì)于V 型球閥來說，改變閥芯的形狀，就是改變V型球閥閥體與閥座之間的流體通流面積，以此影響流經(jīng)球閥的流體流量，從而改變V型球閥的流量特性。所以，為了得到具有更好等百分比特性的V 型球閥閥芯，需要對(duì)閥芯形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 閥芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)框架

首先，利用數(shù)值仿真的方法對(duì)各開度下的原始球閥流量進(jìn)行計(jì)算，再依據(jù)所求得的流量值計(jì)算各開度下球閥閥芯的等百分比特性系數(shù)，并比較各開度下球閥的等百分比特性系數(shù)數(shù)值變化，利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，求得樣本分布均值，以計(jì)算理論流量值。其次，比較理論流量與計(jì)算流量的差別大小，根據(jù)等效面積法來不斷修正球閥閥芯的形狀，計(jì)算修正后的球閥閥芯的等百分比特性系數(shù)，再重新計(jì)算樣本球閥的均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，以計(jì)算理論流量值，進(jìn)一步修正球閥閥芯的形狀。最后，在確保等百分比特性較為穩(wěn)定的情況下完成球閥閥芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體實(shí)物及尺寸如圖3 所示。經(jīng)優(yōu)化后，V型球閥可以精確地控制開度與流量，能夠得到任意開度下系統(tǒng)內(nèi)的流量。

圖3 優(yōu)化后DN50型V型球閥實(shí)物及閥芯設(shè)計(jì)尺寸

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相較于數(shù)值模擬具有直觀性強(qiáng)、結(jié)果可信度高的優(yōu)點(diǎn)，所以利用V型球閥的流量及壓力測(cè)試裝置，對(duì)優(yōu)化前后的DN50 型V 型球閥進(jìn)行試驗(yàn)研究，以測(cè)量不同相對(duì)開度下流經(jīng)球閥閥芯的流體流量，并分析該球閥的流量特性。通過計(jì)算各相對(duì)開度下兩種球閥的等百分比特性系數(shù)RQ并進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證優(yōu)化后的球閥的等百分比特性的穩(wěn)定性優(yōu)于原始V型球閥。

針對(duì)DN50 型閥門閥芯進(jìn)行流量及壓力測(cè)試。經(jīng)計(jì)算，閥門進(jìn)出口的壓力差為ΔP=2 096 Pa，在該壓力差情況下得到的流量值為Qmax=1.819 5 kg/s（約為6.5 t/h）。根據(jù)該條件選取15個(gè)相對(duì)開度，計(jì)算開度與流量的關(guān)系。

圖4 是V 型球閥閥芯流量特性試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖，圖5是V型球閥閥芯流量特性試驗(yàn)測(cè)量段實(shí)物圖。

圖4 試驗(yàn)裝置

圖5 試驗(yàn)測(cè)量段實(shí)物

試驗(yàn)球閥的螺釘上安有智能執(zhí)行器，可以精確控制球閥閥芯的開度，閥芯開度的數(shù)值可在執(zhí)行器連接的電腦顯示器中讀取，范圍為0°～90°。水箱中的介質(zhì)在加壓泵中被加壓至392 280 Pa，然后流進(jìn)入水管，再經(jīng)過節(jié)流閥到達(dá)球閥內(nèi)，之后經(jīng)出水管返回水箱，形成閉合回路。加壓泵根據(jù)實(shí)際工況需要為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)提供動(dòng)力。為了保障閉合管路中流體介質(zhì)的正常輸送，管路中設(shè)有水箱，以儲(chǔ)存流體介質(zhì)。為控制水箱中流體介質(zhì)的量，水箱中安裝有水位計(jì)。節(jié)流閥可以控制管路中壓力的大小。進(jìn)出口壓力表監(jiān)測(cè)球閥前后管內(nèi)相應(yīng)位置介質(zhì)的壓力變化情況，其上連有壓力傳感器，可將測(cè)得的數(shù)據(jù)同流量傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)一起傳輸給計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)過程中，利用加壓閥來保證球閥兩端壓力穩(wěn)定，通過改變?cè)囼?yàn)球閥的相對(duì)開度，得到所需要的流量，以計(jì)算球閥閥芯的等百分比特性系數(shù)。

試驗(yàn)步驟如下：

1）將V 型球閥流量測(cè)試系統(tǒng)中的所有閥門全部打開，打開加壓泵加壓至392 280 Pa，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，保證管路中充滿流體介質(zhì)。

2）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，控制電動(dòng)執(zhí)行器使待測(cè)球閥的相對(duì)開度分別達(dá)到93.1%、87.3%、81.6%、74.2%、68.5%、61.3%、55.9%、49.1%、42.6%、36.3%、29.8%、23.3%、16.4%、10.5%和4.7%，待壓力傳感器與流量傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，采集管道內(nèi)介質(zhì)流量和球閥前后壓力的數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同一球閥在同一相對(duì)開度的情況下重復(fù)測(cè)量3次。

3）更換待測(cè)閥芯結(jié)構(gòu)后，重復(fù)試驗(yàn)步驟1）和步驟2），測(cè)量各相對(duì)開度下的流量數(shù)據(jù)。

4）關(guān)閉流量測(cè)試系統(tǒng)，切斷電源。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6 為各球閥等百分比特性系數(shù)曲線。從圖中可以看出：當(dāng)相對(duì)開度大于30%時(shí)，原始球閥的穩(wěn)定性很好，等百分比系數(shù)保持在20%上下；但當(dāng)相對(duì)開度小于30%時(shí)，等百分比系數(shù)上升很快，說明原始球閥在小開度下的調(diào)節(jié)性能有待提高。在較小的相對(duì)開度下，優(yōu)化模擬球閥以及試驗(yàn)型球閥的等百分比系數(shù)相對(duì)于原始球閥數(shù)值上升緩慢，且模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近，證明此優(yōu)化使得球閥的調(diào)節(jié)性能得到明顯改善。

圖6 各球閥等百分比特性系數(shù)曲線

圖7 為各球閥相對(duì)流量系數(shù)曲線。從圖中可以看出：V型球閥的相對(duì)流量系數(shù)隨著相對(duì)開度增大呈指數(shù)增大，在相同開度下，3 組球閥的相對(duì)流量系數(shù)存在明顯差異，試驗(yàn)型球閥與優(yōu)化模擬球閥的相對(duì)流量系數(shù)均高于原始球閥的相對(duì)流量系數(shù)，其中試驗(yàn)型球閥最高。當(dāng)相對(duì)開度低于80%時(shí)，試驗(yàn)型球閥的相對(duì)流量系數(shù)明顯提升，尤其是在30%以內(nèi)的小開度范圍，流量系數(shù)提升顯著，流通能力得到極大改善。

圖7 各球閥相對(duì)流量系數(shù)

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的推廣與應(yīng)用

為了推廣這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并證明這種方法有普遍適用性，對(duì)型號(hào)為DN100 和DN150 的V 型球閥閥芯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到不同相對(duì)開度下優(yōu)化前后球閥的等百分比特性系數(shù)值，如表1 所示。從表中可以看出：在小開度范圍內(nèi)，優(yōu)化后球閥的等百分比特性系數(shù)明顯更加穩(wěn)定，證明其調(diào)節(jié)性能得到了明顯改善。

表1 DN100 和DN150 的V 型球閥優(yōu)化參數(shù)

表1（續(xù)）

6 結(jié)論

本文提出了一種針對(duì)型號(hào)為DN50 的V 型球閥閥芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，介紹了V型球閥流量試驗(yàn)的裝置及試驗(yàn)流程，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)照的方式，驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的合理性，將這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法推廣到DN100 型和DN150型球閥中，得到如下結(jié)論：

1）此優(yōu)化設(shè)計(jì)方法運(yùn)用數(shù)值模擬法、樣本均值評(píng)估法和面積平均等效法相結(jié)合的方法，使V型球閥有更為均勻的等百分比流量特性數(shù)值分布，在相對(duì)開度較小的條件下有更好的可調(diào)節(jié)性能。

2）V 型球閥閥芯設(shè)計(jì)優(yōu)化方法改善了球閥的流量控制能力，并具有很強(qiáng)的普遍適用型。

3）V 型球閥流量特性試驗(yàn)為V 型球閥的優(yōu)化研究提供了數(shù)據(jù)支撐。