小口徑調(diào)節(jié)閥閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 萍，次宇軒

（天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程控制是儀表和流量檢測(cè)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，其中流量、溫度、壓力及物位是過(guò)程控制的四大參數(shù)。通過(guò)這些參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控，最終使工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。而精確調(diào)節(jié)與測(cè)量介質(zhì)流量是確保生產(chǎn)過(guò)程正常運(yùn)作并且提高質(zhì)量效益的基礎(chǔ)[1]。流量的檢測(cè)與控制廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、冶金、水利、高端技術(shù)（流量計(jì)量）等領(lǐng)域[2]，甚至還應(yīng)用于人體器官中的人造閥門(mén)領(lǐng)域[3]。

隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，裝置中小口徑的高精度調(diào)節(jié)越來(lái)越受到重視，對(duì)小口徑調(diào)節(jié)閥的需求也日益顯著，其廣泛應(yīng)用于電力、石油、冶金、環(huán)保[4-7]、輕工、教科研設(shè)備等行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)[8]。因此，優(yōu)化小口徑調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)[9]，如閥芯形狀[10]、閥座孔形狀、閥籠直徑和導(dǎo)流孔布置等，提升其精度[11]，對(duì)工業(yè)應(yīng)用具有重要作用[12]。調(diào)節(jié)閥研究發(fā)展迅猛，如胡國(guó)良等[13]設(shè)計(jì)了一種具有復(fù)雜液流通道結(jié)構(gòu)的兩級(jí)徑向流蜿蜒式磁流變閥，該設(shè)計(jì)操作方便且響應(yīng)速度快，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，但只適用于低壓小流量液壓系統(tǒng)；Frosina 等[14]研究的一種新閥門(mén)可減少閥體形變，降低開(kāi)發(fā)成本，并具有較低壓降和較高性能；Li 等[15]分析了比例流量控制閥的流動(dòng)特性，并通過(guò)比例流量控制閥的幾何修正來(lái)改善其特性，該方法成本低廉且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但會(huì)導(dǎo)致流量的非線性和不連續(xù)性等問(wèn)題。

通過(guò)改進(jìn)閥門(mén)的一些結(jié)構(gòu)，也能使其具有良好的性能。Qian 等[16]研究關(guān)于中控截止閥的彈簧剛度對(duì)流量和閥芯運(yùn)動(dòng)的影響，其具有快速響應(yīng)和低能耗的特點(diǎn)，然而其驅(qū)動(dòng)裝置復(fù)雜且龐大以及驅(qū)動(dòng)能量消耗巨大。對(duì)于微小流量的設(shè)計(jì)，Li 等[17]綜述了2009—2018年在微流量分析中電滲透泵的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面取得的進(jìn)展，體現(xiàn)了電滲透泵在微小流量?jī)?yōu)勢(shì)控制的優(yōu)勢(shì)；張兆東等[18]介紹了一種可以在小開(kāi)度時(shí)對(duì)微小流量進(jìn)行精確控制的大可調(diào)比閥門(mén)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，論述了最小可控制流量和小開(kāi)度三角槽形狀尺寸的確定方法；陳剛等[19]針對(duì)高壓差（＞ 10 MPa）、微小流量（CV ＜0.1）工況條件下，調(diào)節(jié)閥的閃蒸、空化易造成閥芯振動(dòng)、閥桿斷裂、密封面沖刷、噪音大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種微小流量調(diào)節(jié)閥，采用孔板節(jié)流與多級(jí)降壓相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)級(jí)間壓降平穩(wěn)分布，有效降低了閃蒸、空化及密封面沖刷。本文針對(duì)DN25 小口徑調(diào)節(jié)閥的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Fluent 仿真軟件[20]，逐點(diǎn)校正曲線，優(yōu)化閥芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使調(diào)節(jié)閥流量特性達(dá)到等百分比特性需求。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 單座調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

圖1 為單座調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，其主要零件包括閥體、閥座、閥芯、閥蓋、閥桿等。

圖1 單座調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

閥芯和閥桿連接在一起，在閥蓋和閥體間設(shè)有導(dǎo)向套，以引導(dǎo)閥芯上下移動(dòng)。直通式單座調(diào)節(jié)閥的閥體內(nèi)只有1 個(gè)閥芯和1 個(gè)閥座，特點(diǎn)是泄漏量小，易于保證密封。調(diào)節(jié)型閥芯的形狀為柱塞形，閥芯與閥座之間的流通面積是調(diào)節(jié)閥阻力的主要來(lái)源，通過(guò)執(zhí)行器帶動(dòng)閥桿上下運(yùn)動(dòng)，改變閥門(mén)開(kāi)度以達(dá)到調(diào)節(jié)閥芯與閥座之間流通面積的目的。流體從左側(cè)直管段流入，自下而上流經(jīng)閥芯，再?gòu)挠覀?cè)直管段流出。其他條件一致時(shí)，如果閥門(mén)開(kāi)度不同，流經(jīng)閥門(mén)的流量也不相同。作為調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵部件，閥芯的型面直接決定了調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)節(jié)特性。合理的型面設(shè)計(jì)有利于調(diào)節(jié)閥性能的改善和生產(chǎn)效率的提高。傳統(tǒng)閥芯結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)閥芯結(jié)構(gòu)

針對(duì)傳統(tǒng)的單座閥閥芯結(jié)構(gòu)，已有一些成熟的閥芯型面，從圖2 可知，快開(kāi)型、直線型、拋物線型、等百分比型的閥芯結(jié)構(gòu)可以用于常規(guī)調(diào)節(jié)閥閥芯型面的設(shè)計(jì)參考。但針對(duì)小口徑調(diào)節(jié)閥，如DN25 調(diào)節(jié)閥，需要高精度的調(diào)節(jié)流量特性，所以這種大略的圖形參考意義不大。調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)代表閥門(mén)的流通能力，它表示流體流經(jīng)閥門(mén)產(chǎn)生單位壓力損失時(shí)流體的流量。調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)用KV表示，即當(dāng)流體密度為1 g/cm3且調(diào)節(jié)閥兩端壓差為0.1 MPa 時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流體體積（m3/h）的計(jì)算公式為

式中：qV為流過(guò)閥體的體積流量；籽為流體密度，籽0=1 g/cm3；Δp 為閥體兩端的壓差，Δp0=0.1 MPa。

調(diào)節(jié)閥作為一個(gè)局部阻力可變的節(jié)流件，其阻力系數(shù)的變化與流通能力直接相關(guān)，而阻力系數(shù)的變化規(guī)律與閥芯型面直接相關(guān)。因此，計(jì)算流量、阻力系數(shù)和閥芯曲線之間的關(guān)系是調(diào)節(jié)閥優(yōu)化的重要問(wèn)題。

由于調(diào)節(jié)閥前后管徑一致，在流經(jīng)不可壓縮流體的情況下，根據(jù)能量守恒定律，可得

式中：H 為單位質(zhì)量流體流過(guò)調(diào)節(jié)閥的能量損失；g 為重力加速度。

調(diào)節(jié)閥開(kāi)度不變時(shí)，單位重量的流體能量損失與流體動(dòng)能呈正比，即

式中：ξ 為調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)；ω 為流體的平均速度。

調(diào)節(jié)閥中流體的平均速度為

式中：S 為調(diào)節(jié)閥兩側(cè)連接管道截面積。

結(jié)合式（2）～（4），可得

采用GB50084—2001 附錄D 中關(guān)于減壓孔板的局部阻力系數(shù)的計(jì)算公式

式中：dj為孔板連接管道直徑；dk為孔口直徑。

參考水力直徑的計(jì)算公式，對(duì)閥芯圓環(huán)通道水利直徑計(jì)算，得

式中：de為閥芯圓環(huán)通道的水力直徑；dl為閥座孔直徑；d 為閥芯直徑。

在小口徑調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)中取閥座孔直徑與管道連接直徑相等，閥芯圓環(huán)孔水力直徑等效為減壓孔板孔口直徑，結(jié)合式（5）～（7），可得

1.2 調(diào)節(jié)閥初步設(shè)計(jì)

在小口徑調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)中，柱塞型的閥芯部分可采用針形閥芯。因?yàn)殚y芯尺寸太小，復(fù)雜結(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中加工不便，故選取近似于圓柱體的針形閥芯結(jié)構(gòu)。在本次實(shí)驗(yàn)中，原始設(shè)計(jì)模型閥芯結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)單的錐形結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。可根據(jù)后續(xù)的仿真結(jié)果，再改變其型面設(shè)計(jì)。

若對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行仿真，需建立三維立體模型。本文采用SolidWorks 軟件構(gòu)建調(diào)節(jié)閥的三維模型，在獲取所需的三維模型后，將三維模型導(dǎo)出，另存為.step文件，以便進(jìn)行下一步的網(wǎng)格劃分。

圖3 原始設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)閥

2 調(diào)節(jié)閥模型仿真與分析

2.1 模型的網(wǎng)格劃分

將三維模型的.step 文件導(dǎo)入Gambit，沿軸方向移動(dòng)閥芯位置，以獲得不同開(kāi)度的模型。本文選取了開(kāi)度為20%、40%、60%、80%和100%時(shí)的模型，首先在閥體兩端分別連接內(nèi)徑10 倍長(zhǎng)度的直管段，由此可以使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以將整體三維仿真模型劃分為5 部分，將閥體內(nèi)部劃分為四面體網(wǎng)格，設(shè)置成相對(duì)較小的尺寸，其目的是通過(guò)此方法加強(qiáng)仿真時(shí)迭代計(jì)算的精確度。將直管段劃分為六面體網(wǎng)格，并且再設(shè)置成相對(duì)于前者而言更大的尺寸，這有助于提高迭代計(jì)算速度，為Fluent 仿真運(yùn)算做準(zhǔn)備。

實(shí)驗(yàn)中，先分別對(duì)5 部分網(wǎng)格進(jìn)行劃分，調(diào)節(jié)閥模型與網(wǎng)格劃分如圖4 所示。生成的網(wǎng)格數(shù)量約為1 710 000，其中各網(wǎng)格歪斜度均小于0.97，前后直管段與閥體間的連續(xù)則使用interface 類(lèi)型連接面。

圖4 調(diào)節(jié)閥模型與網(wǎng)格劃分

2.2 模型初步仿真

分別將同一調(diào)節(jié)閥在上述5 種不同開(kāi)度下的網(wǎng)格依次導(dǎo)入Fluent 軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算。采用相同的湍流模型、收斂判定條件和邊界條件進(jìn)行仿真計(jì)算。在導(dǎo)入網(wǎng)格并通過(guò)網(wǎng)格檢查后，進(jìn)行一系列操作。選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，設(shè)置流體為液態(tài)水，收斂判定條件為10-6，管道入口處設(shè)置為壓力入口。針對(duì)不同模型，入口處壓力均設(shè)為100 kPa；出口均采用壓力出口，出口壓力設(shè)為0 kPa。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行壁面分析，求解采用SIMPLE 方法，基于單元體最小二乘法的梯度插值方法、一階壓力插值方法，流向參數(shù)全部采用一階插值方法。仿真結(jié)果要求模型入口與出口達(dá)到相同的流量，且保持流速穩(wěn)定。為了得到調(diào)節(jié)閥的KV值，需要在仿真結(jié)果中分別讀取入口與出口的面積加權(quán)平均流速和出入口面積。面積加權(quán)平均流速與面積的乘積即為對(duì)應(yīng)出入口的流量，在本文設(shè)定的仿真條件中，該流量值也等于調(diào)節(jié)閥的KV值。

2.3 初步仿真結(jié)果

分別對(duì)5 種開(kāi)度下的流量進(jìn)行仿真，圖5 和圖6分別為20%和80%開(kāi)度下仿真結(jié)果的壓力云圖和等值線分布。

圖6 等值線分布

從圖6 可以看出，調(diào)節(jié)閥在相對(duì)開(kāi)度較低與較高時(shí)，壓力的分布有明顯差異。開(kāi)度較低時(shí)，閥芯節(jié)流作用顯著，壓力降主要集中在閥芯與閥座間隙部分，如圖6（a）所示。隨著調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的增加，閥芯與閥座間隙逐漸加寬，節(jié)流作用逐漸削弱，壓力降不再集中于閥芯位置，而是較為均勻地分布在整個(gè)閥體中，如圖6（b）所示。

從Fluent 軟件中得到同一調(diào)節(jié)閥不同開(kāi)度下的仿真結(jié)果后，在仿真結(jié)果中讀取入口與出口的面積加權(quán)平均流速和入口與出口的面積，分別相乘即可計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的KV值。繪制成相對(duì)開(kāi)度與流量的曲線，并與目標(biāo)條件進(jìn)行比較、分析。圖7 為所設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥模型A 在不同開(kāi)度時(shí)出口每小時(shí)的流量曲線圖。

圖7 模型A 不同開(kāi)度時(shí)的流量曲線圖

由圖7 可以看出，在40 %～80 %開(kāi)度之間，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨著開(kāi)度的增加逐漸而增大，且?guī)缀醭示€性分布。分析可知，該調(diào)節(jié)閥的量程比約為1 ∶2，而此次優(yōu)化的理想目標(biāo)為流量特性達(dá)到等百分比特性要求。

2.4 閥芯型面的優(yōu)化

計(jì)算出模型A 在不同開(kāi)度時(shí)的流量q 與它們各自的最大流量qmax的比值，在同一坐標(biāo)軸中繪制流量特性曲線圖，模型A 的流量曲線與理想值對(duì)比如圖8 所示。

圖8 模型A 的流量曲線與理想值對(duì)比

由圖8 可知，理想曲線斜率逐漸增大，而模型A恰好與之相反，二者之間相差較大，需要對(duì)其作進(jìn)一步優(yōu)化。首先，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)等百分比特性曲線在20%～100%范圍內(nèi)每20%取1 個(gè)點(diǎn)，共取5 個(gè)點(diǎn)。找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的流量值，再對(duì)比原始模型曲線，找到在該流量下對(duì)應(yīng)的開(kāi)度值。最后，根據(jù)此開(kāi)度值計(jì)算初步優(yōu)化調(diào)節(jié)閥（B）的閥芯型面，如圖9 所示。

圖9 閥芯型面優(yōu)化示意圖

計(jì)算模型B 不同開(kāi)度時(shí)的流量值與流量的最大值之比，得到模型B 的流量與理想值對(duì)比曲線如圖10所示。

圖10 模型B 的流量與理想值對(duì)比曲線

由圖10 可知，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后模型B 流量特性曲線斜率逐步增加，已與理想值非常接近，說(shuō)明這一優(yōu)化方案切實(shí)可行。為能更加直觀體現(xiàn)出優(yōu)化后效果，還需計(jì)算不同開(kāi)度下的偏差情況，且與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)GB/T17213.10—2015，每個(gè)試驗(yàn)流量系數(shù)與制造商在流量特性中規(guī)定的值的偏差不應(yīng)超過(guò)±0.1Φ-0.2（Φ 為相對(duì)流量系數(shù)，也即 q/qmax）。據(jù)此計(jì)算出不同開(kāi)度時(shí)的允許偏差，如表1 所示。

表1 不同開(kāi)度時(shí)的偏差

2.5 結(jié)果分析

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)等百分比流量特性，在采用仿真優(yōu)化的同時(shí)，采用理論計(jì)算的方法進(jìn)行驗(yàn)證，將標(biāo)準(zhǔn)流量點(diǎn)代入式（8），求出對(duì)應(yīng)不同開(kāi)度時(shí)閥桿型面直徑，得到閥芯直徑數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 閥芯直徑計(jì)算值

由表2 可知，公式計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的偏差，說(shuō)明調(diào)節(jié)閥壓力損失計(jì)算模型存在偏差，基于孔板壓力降的計(jì)算模型，不能完全符合閥芯壓力降計(jì)算，但公式計(jì)算的偏差可以保證在10%以內(nèi)，基本滿足閥芯初步設(shè)計(jì)的要求。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)閥芯部分的模型建立及網(wǎng)格劃分，進(jìn)而完成對(duì)模型網(wǎng)格無(wú)關(guān)度的測(cè)試，最終完成閥芯型線設(shè)計(jì)，達(dá)到要求的流量指標(biāo)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）該閥門(mén)特性符合相關(guān)的閥門(mén)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)閥流量特性達(dá)到等百分比特性，各開(kāi)度的流量特性均在誤差允許范圍內(nèi)，即每個(gè)試驗(yàn)流量系數(shù)與制造商在流量特性中規(guī)定的值的偏差不超過(guò)±0.1Φ-0.2。

（2）閥內(nèi)件便于加工實(shí)現(xiàn)，并能保證閥內(nèi)件的機(jī)械強(qiáng)度和密封特性，公式計(jì)算的閥芯直徑偏差可以保證在10%以內(nèi)，基本滿足閥芯初步設(shè)計(jì)的要求。

（3）未來(lái)的工作也可以集中在特殊環(huán)境下小口徑控制閥的研究，并對(duì)流體的黏度所處環(huán)境進(jìn)行限制。