多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計及流場數(shù)值模擬研究

何秋嶺

（重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)的實際生產(chǎn)中，高溫、高壓等特殊工況也越來越多，也對應(yīng)用于高壓差的調(diào)節(jié)閥提出了更高的要求。高壓差調(diào)節(jié)閥使用中主要存在的問題不是壓力大,而是壓差特別大時,對閥芯、閥座產(chǎn)生嚴重的沖刷、氣蝕，調(diào)節(jié)閥的壽命極短。為了能夠有效防止沖刷、氣蝕，延長使用壽命，通常采用兩種方案：一種是采用硬質(zhì)合金內(nèi)件，提高閥內(nèi)件硬度，增強抗沖刷、氣蝕能力，但生產(chǎn)制造成本昂貴；第二種方案是采用多級降壓的原理，將高壓差分解為多個小壓差，通過逐級降壓來達到目的。相較于第一種方案，第二種方案制造生產(chǎn)成本較低，效果更好，更為經(jīng)濟。本文提出一種多級降壓的結(jié)構(gòu)來解決實際生產(chǎn)中的高壓差問題。

1 多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥

多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥就是通過多級降壓結(jié)構(gòu)解決實際生產(chǎn)中的高壓差問題。它精于控制在高溫、高壓、高壓差以及含有固體顆粒條件下流體的壓力和流量。該閥集中了普通單座式和迷宮式的優(yōu)點，有效防止氣蝕、沖刷，降低噪音。

1.1 多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

本文提出多級降壓結(jié)構(gòu)，如圖1所示。閥體組件主要由多級閥芯部件、閥座、套筒部件、閥體、上閥蓋、密封環(huán)、圣戈班等零部件組成[1]。

圖1 多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥

如圖2所示的工作原理，閥芯采用串級降壓的形式。介質(zhì)沿閥芯和套筒軸線方向平行向上流動，逐步流過串級閥芯的節(jié)流臺階及套筒上均布排列的矩形窗口，使閥前閥后的實際壓差沿閥芯軸線方向勻速降低，達到控制介質(zhì)的流速、防止空化、降低噪音的效果。同時針對介質(zhì)中所含的雜質(zhì)和固體顆粒，串級閥芯的每個臺階處刃口與套筒上的窗口在閥關(guān)閉時起剪切作用，避免調(diào)節(jié)閥堵塞或粘接，保證閥的正常工作。同時解決了閥門起閉過程中的持續(xù)壓差問題。當閥門開啟時, 閥口比各級節(jié)流件要先開啟, 此時作用在閥口的高壓被均布分解, 閥口沒有持續(xù)差壓作用, 直至各級節(jié)流件已完全正常工作, 從而減少產(chǎn)生氣蝕的可能性；當閥門關(guān)閉時, 多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥相當于有多個單座閥的閥口同時被關(guān)閉, 只不過后面幾級的密閉性沒有第一級的凡爾線密封嚴密。

圖2 閥門的工作原理

1.2 計算閥門理論Cv

閥門的Cv值是工業(yè)控制閥的重要工藝參數(shù)和技術(shù)指標，是表示元件對液體的流通能力，即流量系數(shù)[2]。理論Cv計算公式為：

且式中:Q為介質(zhì)最大質(zhì)量流量，單位kg/s；

G 為介質(zhì)比重（常溫下，水的比重為1）；

P1為閥前壓力，單位：0.1MPa；

P2為閥后壓力，單位：0.1MPa；

根據(jù)國內(nèi)某廠方提供的系統(tǒng)運行實際工況參數(shù)，閥前壓力19.8 MPa，閥后壓力為1.3 MPa，介質(zhì)為常溫水，介質(zhì)比重為1,最大質(zhì)量流量Q=7.2kg/s。

由公式（1）可知：

結(jié)合現(xiàn)場的實際工況，DN40口徑的閥門完全滿足條件，公稱壓力要等于或大于壓差的1.5倍，所以選擇DN40 ANSI2500 Cv=4、線性流量特性、開度55%的調(diào)節(jié)閥。

1.3 確定降壓級數(shù)

當高壓流體流經(jīng)控制閥時，液體流速增加，產(chǎn)生了速度與壓力的能量轉(zhuǎn)換從而壓力降低。當壓力達到該流體溫度對應(yīng)下的飽和蒸汽壓Pv時，部分液體就汽化形成蒸汽泡，這就是氣蝕的第一個階段。空化現(xiàn)象是當液體經(jīng)過最小截面到達較大面積時，閥后壓力增加, 即閥后壓力高于飽合蒸汽壓時氣泡破裂或爆炸。如果閥后壓力還在飽合蒸汽壓以下時，汽泡就會繼續(xù)形成閃蒸[3]。所以氣蝕、空化、閃蒸都是閥門使用壽命縮短的重要原因。對于壓差較大的場合，多級降壓的顯著作用就是控制縮流面處的壓力Pvc，確保介質(zhì)通過每一降壓段時的壓力不小于液體的飽和蒸氣壓，防止閃蒸、空化的產(chǎn)生。

在使用時, 應(yīng)對閥的壓力進行驗算,即用每一級降壓后的實際壓力降與產(chǎn)后阻塞流后的降壓后的壓力進行比較，驗算是否存在氣蝕的現(xiàn)象。假設(shè)在下例的工況中為六級降壓。

……………

從以上計算可知，在此實際工況中調(diào)節(jié)閥的臨界氣蝕點是在六級節(jié)流后。由此可見六級降壓完全滿足條件，沒有氣蝕的發(fā)生。

2 多級降壓高壓差閥內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

2.1 建立三維流道模型

利用Solidworks三維實體建模軟件對調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道進行三維建模。Solidworks是一款提供一系列的三維（3D）設(shè)計產(chǎn)品的軟件，它可以幫助設(shè)計師減少設(shè)計時間，增加精確性，提高設(shè)計的創(chuàng)新性。該軟件對閥體流道和套筒部件流道進行三維模型，并按國家標準GB/T17213.9-2005 中關(guān)于閥門流通能力測試管道配置規(guī)定，分別將進口端和出口端按2倍和6倍管徑延長，可使數(shù)值模擬過程中進出口邊界條件的設(shè)置更加符合實際情況。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

使用CFD（即計算流體動力學(xué)）處理軟件進行三維模型網(wǎng)格劃分[4]。該模型采用整體生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，為提高網(wǎng)格精度，將最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1mm，最大為1.5mm，并通過Smooth Elements Globally 進行網(wǎng)格順滑處理，使網(wǎng)格質(zhì)量處于較高水平。經(jīng)劃分，網(wǎng)格數(shù)為340 萬左右。將網(wǎng)格導(dǎo)入CFD 軟件，邊界相關(guān)邊界條件[5-6]。其中，設(shè)置壓力進口為19.8Mpa，壓力出為1.3Mpa，介質(zhì)為常溫水。經(jīng)數(shù)值計算，計算結(jié)果如下：

2.2.1 理論流量特性與模擬流量特性比對

模擬計算出55%開度下通過閥門的流量為7.4kg/s，全開時通過的閥門流量為13.09kg/s，與實際工況流量相符。在10%,20%......100%不同開度下的模擬Cv值，如表1所示。

表1 不同開度下的CV值

閥門開度與理論計算開度接近，在開度55%左右達到計算Cv值2.2。該串級降壓調(diào)節(jié)閥的模擬流量特性曲線和理論流量特性曲線基本吻合，具有線性流量特性。但在低開度時，模擬流量系數(shù)略高于理想流量系數(shù)。分析原因，主要因閥門在低開度時所建立模型與實際模型存在誤差導(dǎo)致。但從總體來看，模擬流量特性已較真實的反應(yīng)實際理想流量狀態(tài)。由此，CFD數(shù)值模擬的準確度對串級降壓調(diào)節(jié)閥設(shè)計與實驗具有重要的指導(dǎo)意義。如圖3所示。

圖3 擬合特性曲線2.2.2 壓力場分析

如圖4所示，流體每通過一個節(jié)流截面消化掉一部分壓差，即壓力降被平均分攤到每一串的節(jié)流組件上[7]。同時串聯(lián)流路內(nèi)介質(zhì)的最底壓力不低于該工況下介質(zhì)的飽和蒸汽壓，避免了空化的發(fā)生。因此，六級降壓結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖4 壓力場分析

2.2.3 速度場分析

從圖5速度云圖可以看出，介質(zhì)在閥體流道內(nèi)流速均勻。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般閥門內(nèi)液體介質(zhì)流速接近30m/s，該例中介質(zhì)的大部件流速接近為30m/s，避免了閥內(nèi)件產(chǎn)生嚴重的沖刷。介質(zhì)的最大流速集中在閥芯降壓處，考慮到閥門在實際情況下存在近壁面壓力損失等因素，可以滿足多級降壓的條件。

圖5 速度場分析（m/s）

3 結(jié)束語

借用CFD流場模擬軟件，對多級降壓閥內(nèi)部流場進行可視化研究，其計算結(jié)果分析顯示與實際內(nèi)部流動吻合，降壓結(jié)構(gòu)合理。該類型結(jié)構(gòu)閥門設(shè)計結(jié)構(gòu)獨特，能夠防止氣蝕、閃蒸，降低沖刷，延長使用壽命，完全適用于高壓差工況。□

[1] 吳杰.多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計[J].閥門,2001(01):5-8.

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[5] 王福軍.計算流體動力學(xué)CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004．

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