一種調壓閥異響問題的分析與改進

鄭麗偉 沈陽恒久安泰環保與節能科技有限公司

近三十年以來，隨著人類綠色意識的覺醒，環境保護意識不斷加強，可持續發展觀念深入人心，液化天然氣作為一種安全、高效的清潔能源，得到了更為廣泛的利用，LNG液化天然氣是將天然氣（甲烷）凈化，并在-162℃的低溫下加工而成的液態燃料，這就要求配套的各種閥門在低溫工況下閥門具有更高、更好密封性、材料穩定性、可靠性。其中低溫調壓閥主要應用在LNG為燃料的重型汽車[1]的LNG氣瓶供氣系統上。 本文針對調壓閥異響問題進行研究，并提出了解決措施。

一、調壓閥結構及問題

（一）結構和工作原理

低溫升壓調壓閥即增壓調壓閥（車載瓶用）是一種超低溫閥門。主要用于LNG氣瓶的內部增壓及對于多余氣體的再利用，處于常閉狀態。零部件包括閥體、閥蓋、密封墊圈、膜片組件、閥瓣（閥板）、閥桿、閥座、閥籠、調壓螺栓、螺母、彈簧、彈簧座等，其中閥體、膜片組件、密封墊圈、閥籠、閥桿是閥門主要的五個部件，閥門通過調壓螺栓設定開啟壓力，擰緊螺栓一圈約0.1MPa。當LNG儲存罐內隨著介質消耗，罐內壓力逐漸降低到某一設定值時，調壓閥開啟，介質通過調壓閥流經其后的翅片盤管汽化后回到氣瓶內部使壓力升高。當壓力升高至設定值時，調壓閥關閉，增壓停止。調壓閥通過調節螺栓壓縮上彈簧，使上彈簧作用在膜片組件上的力與出口介質壓力作用在膜片組件上的力達到平衡。當出口壓力值低于設定值時，上彈簧作用在膜片組件上的力大于出口介質壓力作用在膜片組件上的力，在壓差力的作用下閥桿組件打開，介質由進口進入系統，使系統內的介質壓力增高。當系統內的介質壓力增高到某一設定值時，出口介質作用在膜片組件上的力大于上彈簧作用在膜片組件上的力，膜片組件向上運動，與閥桿組件分開，閥桿組件在下彈簧力作用下關閉閥門（見圖1）。

圖1 調壓閥結構及參數

（二）問題現狀

從產品最初投放市場兩年內頻繁出現調壓閥異響現象，異響均為類似蜂鳴聲，更換膜片組件異響消失，但使用一段時間后又出現異響。

二、問題研究

根據此問題，借助于分析二維和三維流體流場的先進工具——FLuent CFD工具，運用有限體積法模擬分析。

（一）閥內部流暢分析

通過ANSYS三維建模，搭建內部流場模型，對其網格劃分，利用Fluent設置邊界條件，選擇湍流模型運用有限體積法模擬分析，內部流場分析如圖2。

圖2 中截面流線分布

分析結果：

1.在速度場中發現，該閥的速度場分布較為不均，在入口壁面附近、節流口、出口處等多處出現渦旋現象。氣體過流面積突變、突縮，方向改變都會產生渦旋，使流場造成湍流狀態，非常容易產生噪音；

2.湍動能的數值反映了能量損失的關系，是衡量湍流發展變化的重要指標。對閥體中間橫截面的湍動能分布進行分析，能量損失主要集中在閥體閥桿左側附近。由此說明氣體在改變流動方向的同時能量損失較大。

（二）分析結果

根據以上分析，調壓閥異響主要原因：

1.閥內部流場局部位置氣體流速過大，內部流場出現較多渦流、湍流，

2.控制壓力阻尼口大小不合適。

三、改進方案及試驗驗證

（一）改進方案

1.加裝阻尼塞，規格為φ2、φ1.5、φ1，以方便阻尼孔大小的調整。

2.閥體多處圓角處理，改善內部流場。

（二）試驗驗證

對異響調壓閥（故障件，臺架試驗異響）進行了加裝阻尼塞φ1.5及閥體圓角處理后，又進行了臺架試驗，試驗結果未出現異響，未更好的驗證方案效果，進行小批量（故障件20件，臺架試驗均異響）使用氣瓶模擬工況試驗，試驗介質采用液氮，試驗結果均未出現異響。

四、結語

綜上所述，通過對異響調壓閥的理論模擬分析和試驗驗證，此問題消除，為產品設計和改進提供了強有力的支撐。在產品設計和改進全過程中要貫徹采用先進的設計手段，優化產品設計。