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【摘要】以快速更換式單座調(diào)節(jié)閥為例，利用Solidworks軟件對調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場進(jìn)行三維實體建模，用CFX軟件對流場進(jìn)行流體動力學(xué)分析，得到各開度下不平衡力的可視化結(jié)果。用等效閥瓣截面積的變化表示不同開度下壓力的變化，用五階泰勒展開式表示等效截面積與行程h的關(guān)系。結(jié)果表明，流開型調(diào)節(jié)閥不平衡力較大，沖刷作用區(qū)域較寬，但不平衡力作用方向始終為正，并且比流關(guān)型調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定。因此，一般直通單座調(diào)節(jié)閥設(shè)計成流開型。
1.概述
控制閥是過程控制中的重要組件，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，已被廣泛地應(yīng)用于冶金、電力、石油和化工等工業(yè)部門中，控制設(shè)備的正常使用與調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性及使用壽命密切相關(guān)。為了使調(diào)節(jié)閥能長時間穩(wěn)定工作，不僅要研究調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場，同時也需要對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。在調(diào)節(jié)閥工程設(shè)計中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在閥全關(guān)時輸出推力應(yīng)滿足1.1（不平衡力+閥座壓緊力）。其中，閥座壓緊力與調(diào)節(jié)閥類型相關(guān)，受其他條件影響小，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇主要受調(diào)節(jié)閥不平衡力的影響。
2.結(jié)構(gòu)性能
調(diào)節(jié)閥介質(zhì)流向分為底進(jìn)側(cè)出（流開型）和側(cè)進(jìn)底出（流關(guān)型）（圖1）。介質(zhì)流動方向的改變，一方面會引起調(diào)節(jié)閥前后壓力和方向改變，使不平衡力作用方向或大小發(fā)生改變，另一方面會使介質(zhì)對閥瓣的繞流方向發(fā)生改變，從而改變流體阻力，使作用在閥瓣上的不平衡力發(fā)生改變。這些變化會對調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇產(chǎn)生影響，從而影響調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性及使用壽命。因此，介質(zhì)流向的選擇對調(diào)節(jié)閥的選型設(shè)計和穩(wěn)定性有著極為重要的意義。
（a）流開型 （b）流關(guān)型
圖1 直通單座調(diào)節(jié)閥不平衡力分析
3.不平衡力計算
閉合狀態(tài)下流開型調(diào)節(jié)閥不平衡力Ftk和流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力Ftg分別為
（1）
y678626（2）
式中 Ftk、Ftg———不平衡力，
Nds———閥桿直徑，mm
dg———閥瓣直徑，mm
p1———閥上游壓力，MPa
p2———閥下游壓力，MPa
閥瓣上表面和下表面所受的壓力隨著開度的變化而變化。為方便計算閥瓣上、下表面所受的壓力值，將閥瓣上、下表面所受壓力變化近似轉(zhuǎn)換為等效閥瓣截面積的變化。
調(diào)節(jié)閥在流開狀態(tài)時，閥桿處于流體的流出端，其不平衡力近似為入口壓力p1和出口壓力p2與等效閥瓣截面積Sh作用的結(jié)果，即

（3）
式中 Δp———閥前后壓差，MPa
Sh———某一開度下等效閥瓣截面積，mm2
將問題簡化，對Sh和行程h之間的關(guān)系取泰勒展開式，其五階近似式為

（4）
將式（4）帶入式（3），則式（3）簡化為
將式（4）帶入式（3），則式（3）簡化為

（5）
調(diào)節(jié)閥在流關(guān)狀態(tài)時，閥桿處于流體的流入端。取泰勒展開式后，其不平衡力計算的五階近似式為

（6）
4.內(nèi)部流場數(shù)值模擬
4.1 三維模型
快速更換式調(diào)節(jié)閥的公稱通徑為200mm，等百分比流量特性，行程60mm。根據(jù)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)對稱性，取流道的一半建模，為了使進(jìn)出口不產(chǎn)生回流，前后管道各加長3倍管徑的長度（圖2）。
圖2 流道模型
4.2 網(wǎng)格劃分
將流道模型分為5部分。流體在流經(jīng)閥瓣和閥座時，壓力梯度和速度梯度變化較大，采用較密的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。在進(jìn)口和出口處，流體流動較簡單，流速較低且比較平穩(wěn)，采用較疏的六面體網(wǎng)格。其余兩個部分，由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。5部分共計網(wǎng)格數(shù)量為196229（圖3）。

圖3 流道網(wǎng)格模型
4.3 求解模型
設(shè)定入口壓力為3MPa，出口壓力為2.75MPa，對稱面邊界條件以及閥瓣面的壁面邊界條件。由于控制閥內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)流體流經(jīng)閥體時，會產(chǎn)生非常復(fù)雜的流動狀態(tài)，雖有旋渦和分離流，但不是強旋渦，屬于中等強度的雷諾數(shù)，因此計算模型取標(biāo)準(zhǔn)模型。由于流體與閥體內(nèi)部邊界面沒有滑移，所以固體邊界面取無滑移邊界條件。
5 結(jié)果分析
5.1 介質(zhì)流向?qū)Σ黄胶饬Φ挠绊?br /> 直行程調(diào)節(jié)閥不平衡力是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中控制閥的閥瓣所受的軸向合力，其大小和方向是執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型的重要指標(biāo)之一。取前后壓差為0.25MPa，針對不同開度進(jìn)行數(shù)值模擬（表1）。根據(jù)不同開度下的計算值得到不平衡力的變化趨勢圖（圖4）。

表1 調(diào)節(jié)閥不平衡力數(shù)值模擬值
根據(jù)流開型調(diào)節(jié)閥不平衡力Ftk和流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力Ftg變化趨勢，得到兩個五階近似多項式。

分析調(diào)節(jié)閥不平衡力變化趨勢，流開型調(diào)節(jié)閥不平衡力總是比流關(guān)型調(diào)節(jié)閥大。流開型控制閥不平衡力在各開度下為正。流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力在開度大于32mm時，不平衡力為正值，在開度小于32mm時，不平衡力為負(fù)值。

圖4 調(diào)節(jié)閥不平衡力變化趨勢
5.2 60%開度時介質(zhì)流向的影響
流開型調(diào)節(jié)閥閥瓣在閥門開度為60%時，受沖刷作用較強，且密封面附近也受到?jīng)_刷（圖5）。流開型調(diào)節(jié)閥受到的不平衡力在60%開度時逐漸趨于平穩(wěn)，**穩(wěn)定在2.6kN（圖6）。由于模型取流道的一半進(jìn)行計算，因此，不平衡力為5.2kN。

圖5 流開型調(diào)節(jié)閥閥瓣受沖刷作用點分布

圖6 流開型調(diào)節(jié)閥不平衡力隨時間的變化
流關(guān)型調(diào)節(jié)閥在閥門開度為60%時，受沖刷作用位置主要集中在閥瓣底部，距離密封面較遠(yuǎn)（圖7）。流關(guān)型調(diào)節(jié)閥受到的不平衡力沒有收斂的趨勢，始終在85～283N之間波動（圖8），因此，不平衡力在170～566N之間波動。
6.結(jié)語
（1）從調(diào)節(jié)閥所受不平衡力的大小和閥瓣所受沖刷作用點分析，流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力小，閥瓣受沖刷影響小，可以提高調(diào)節(jié)閥的使用壽命。

圖7 流關(guān)型調(diào)節(jié)閥閥瓣受沖刷作用點分布

圖8 流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力隨時間的變化
（2）從調(diào)節(jié)閥所受不平衡力的方向和穩(wěn)定性分析，流開型調(diào)節(jié)閥不平衡力方向始終為正方向，且不平衡力穩(wěn)定，而流關(guān)型控制閥不平衡力方向有時為正方向，有時為負(fù)方向，且不平衡力在有些開度下是波動的。
（3）流關(guān)型調(diào)節(jié)閥不平衡力的方向變化對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型帶來極大影響，這種流向的調(diào)節(jié)閥無法應(yīng)用于氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而且不平衡力的波動極大影響了調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性及使用壽命，因此，一般直行程單座控制閥設(shè)計成流開型。
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資訊來源：無錫科萊恩流體控制設(shè)備有限公司