小口径调节阀阀芯结构优化设计

2021-04-08次宇轩

天津职业技术师范大学学报 2021年1期

王萍，次宇轩

（天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

在工业生产过程中，过程控制是仪表和流量检测应用的重要领域，其中流量、温度、压力及物位是过程控制的四大参数。通过这些参数，可以实现对生产过程的监控，最终使工业生产过程达到预期目标。而精确调节与测量介质流量是确保生产过程正常运作并且提高质量效益的基础[1]。流量的检测与控制广泛应用于石油、天然气、冶金、水利、高端技术（流量计量）等领域[2]，甚至还应用于人体器官中的人造阀门领域[3]。

随着我国工业技术的发展，装置中小口径的高精度调节越来越受到重视，对小口径调节阀的需求也日益显著，其广泛应用于电力、石油、冶金、环保[4-7]、轻工、教科研设备等行业的自动控制系统[8]。因此，优化小口径调节阀结构[9]，如阀芯形状[10]、阀座孔形状、阀笼直径和导流孔布置等，提升其精度[11]，对工业应用具有重要作用[12]。调节阀研究发展迅猛，如胡国良等[13]设计了一种具有复杂液流通道结构的两级径向流蜿蜒式磁流变阀，该设计操作方便且响应速度快，机械结构简单且运动平稳，但只适用于低压小流量液压系统；Frosina 等[14]研究的一种新阀门可减少阀体形变，降低开发成本，并具有较低压降和较高性能；Li 等[15]分析了比例流量控制阀的流动特性，并通过比例流量控制阀的几何修正来改善其特性，该方法成本低廉且结构简单，但会导致流量的非线性和不连续性等问题。

通过改进阀门的一些结构，也能使其具有良好的性能。Qian 等[16]研究关于中控截止阀的弹簧刚度对流量和阀芯运动的影响，其具有快速响应和低能耗的特点，然而其驱动装置复杂且庞大以及驱动能量消耗巨大。对于微小流量的设计，Li 等[17]综述了2009—2018年在微流量分析中电渗透泵的开发和应用方面取得的进展，体现了电渗透泵在微小流量优势控制的优势；张兆东等[18]介绍了一种可以在小开度时对微小流量进行精确控制的大可调比阀门的改进设计，论述了最小可控制流量和小开度三角槽形状尺寸的确定方法；陈刚等[19]针对高压差（＞ 10 MPa）、微小流量（CV ＜0.1）工况条件下，调节阀的闪蒸、空化易造成阀芯振动、阀杆断裂、密封面冲刷、噪音大等问题，设计了一种微小流量调节阀，采用孔板节流与多级降压相结合的方法，实现级间压降平稳分布，有效降低了闪蒸、空化及密封面冲刷。本文针对DN25 小口径调节阀的现有结构，应用Fluent 仿真软件[20]，逐点校正曲线，优化阀芯的结构设计，使调节阀流量特性达到等百分比特性需求。

1 模型设计

1.1 单座调节阀结构

图1 为单座调节阀结构，其主要零件包括阀体、阀座、阀芯、阀盖、阀杆等。

图1 单座调节阀结构

阀芯和阀杆连接在一起，在阀盖和阀体间设有导向套，以引导阀芯上下移动。直通式单座调节阀的阀体内只有1 个阀芯和1 个阀座，特点是泄漏量小，易于保证密封。调节型阀芯的形状为柱塞形，阀芯与阀座之间的流通面积是调节阀阻力的主要来源，通过执行器带动阀杆上下运动，改变阀门开度以达到调节阀芯与阀座之间流通面积的目的。流体从左侧直管段流入，自下而上流经阀芯，再从右侧直管段流出。其他条件一致时，如果阀门开度不同，流经阀门的流量也不相同。作为调节阀的关键部件，阀芯的型面直接决定了调节阀的流量调节特性。合理的型面设计有利于调节阀性能的改善和生产效率的提高。传统阀芯结构如图2 所示。

图2 传统阀芯结构

针对传统的单座阀阀芯结构，已有一些成熟的阀芯型面，从图2 可知，快开型、直线型、抛物线型、等百分比型的阀芯结构可以用于常规调节阀阀芯型面的设计参考。但针对小口径调节阀，如DN25 调节阀，需要高精度的调节流量特性，所以这种大略的图形参考意义不大。调节阀的流量系数代表阀门的流通能力，它表示流体流经阀门产生单位压力损失时流体的流量。调节阀的流量系数用KV表示，即当流体密度为1 g/cm3且调节阀两端压差为0.1 MPa 时，每小时流经调节阀的流体体积（m3/h）的计算公式为

式中：qV为流过阀体的体积流量；籽为流体密度，籽0=1 g/cm3；Δp 为阀体两端的压差，Δp0=0.1 MPa。

调节阀作为一个局部阻力可变的节流件，其阻力系数的变化与流通能力直接相关，而阻力系数的变化规律与阀芯型面直接相关。因此，计算流量、阻力系数和阀芯曲线之间的关系是调节阀优化的重要问题。

由于调节阀前后管径一致，在流经不可压缩流体的情况下，根据能量守恒定律，可得

式中：H 为单位质量流体流过调节阀的能量损失；g 为重力加速度。

调节阀开度不变时，单位重量的流体能量损失与流体动能呈正比，即

式中：ξ 为调节阀的阻力系数；ω 为流体的平均速度。

调节阀中流体的平均速度为

式中：S 为调节阀两侧连接管道截面积。

结合式（2）～（4），可得

采用GB50084—2001 附录D 中关于减压孔板的局部阻力系数的计算公式

式中：dj为孔板连接管道直径；dk为孔口直径。

参考水力直径的计算公式，对阀芯圆环通道水利直径计算，得

式中：de为阀芯圆环通道的水力直径；dl为阀座孔直径；d 为阀芯直径。

在小口径调节阀的设计中取阀座孔直径与管道连接直径相等，阀芯圆环孔水力直径等效为减压孔板孔口直径，结合式（5）～（7），可得

1.2 调节阀初步设计

在小口径调节阀的结构中，柱塞型的阀芯部分可采用针形阀芯。因为阀芯尺寸太小，复杂结构在实际生产中加工不便，故选取近似于圆柱体的针形阀芯结构。在本次实验中，原始设计模型阀芯结构采用简单的锥形结构，如图3 所示。可根据后续的仿真结果，再改变其型面设计。

若对调节阀进行仿真，需建立三维立体模型。本文采用SolidWorks 软件构建调节阀的三维模型，在获取所需的三维模型后，将三维模型导出，另存为.step文件，以便进行下一步的网格划分。

图3 原始设计的简化调节阀

2 调节阀模型仿真与分析

2.1 模型的网格划分

将三维模型的.step 文件导入Gambit，沿轴方向移动阀芯位置，以获得不同开度的模型。本文选取了开度为20%、40%、60%、80%和100%时的模型，首先在阀体两端分别连接内径10 倍长度的直管段，由此可以使仿真结果更加准确。因为调节阀结构比较复杂，所以将整体三维仿真模型划分为5 部分，将阀体内部划分为四面体网格，设置成相对较小的尺寸，其目的是通过此方法加强仿真时迭代计算的精确度。将直管段划分为六面体网格，并且再设置成相对于前者而言更大的尺寸，这有助于提高迭代计算速度，为Fluent 仿真运算做准备。

实验中，先分别对5 部分网格进行划分，调节阀模型与网格划分如图4 所示。生成的网格数量约为1 710 000，其中各网格歪斜度均小于0.97，前后直管段与阀体间的连续则使用interface 类型连接面。

图4 调节阀模型与网格划分

2.2 模型初步仿真

分别将同一调节阀在上述5 种不同开度下的网格依次导入Fluent 软件中进行仿真计算。采用相同的湍流模型、收敛判定条件和边界条件进行仿真计算。在导入网格并通过网格检查后，进行一系列操作。选择标准k-ε 湍流模型，设置流体为液态水，收敛判定条件为10-6，管道入口处设置为压力入口。针对不同模型，入口处压力均设为100 kPa；出口均采用压力出口，出口压力设为0 kPa。采用标准壁面函数法进行壁面分析，求解采用SIMPLE 方法，基于单元体最小二乘法的梯度插值方法、一阶压力插值方法，流向参数全部采用一阶插值方法。仿真结果要求模型入口与出口达到相同的流量，且保持流速稳定。为了得到调节阀的KV值，需要在仿真结果中分别读取入口与出口的面积加权平均流速和出入口面积。面积加权平均流速与面积的乘积即为对应出入口的流量，在本文设定的仿真条件中，该流量值也等于调节阀的KV值。

2.3 初步仿真结果

分别对5 种开度下的流量进行仿真，图5 和图6分别为20%和80%开度下仿真结果的压力云图和等值线分布。

图6 等值线分布

从图6 可以看出，调节阀在相对开度较低与较高时，压力的分布有明显差异。开度较低时，阀芯节流作用显著，压力降主要集中在阀芯与阀座间隙部分，如图6（a）所示。随着调节阀开度的增加，阀芯与阀座间隙逐渐加宽，节流作用逐渐削弱，压力降不再集中于阀芯位置，而是较为均匀地分布在整个阀体中，如图6（b）所示。

从Fluent 软件中得到同一调节阀不同开度下的仿真结果后，在仿真结果中读取入口与出口的面积加权平均流速和入口与出口的面积，分别相乘即可计算出调节阀的KV值。绘制成相对开度与流量的曲线，并与目标条件进行比较、分析。图7 为所设计调节阀模型A 在不同开度时出口每小时的流量曲线图。

图7 模型A 不同开度时的流量曲线图

由图7 可以看出，在40 %～80 %开度之间，调节阀的流量系数随着开度的增加逐渐而增大，且几乎呈线性分布。分析可知，该调节阀的量程比约为1 ∶2，而此次优化的理想目标为流量特性达到等百分比特性要求。

2.4 阀芯型面的优化

计算出模型A 在不同开度时的流量q 与它们各自的最大流量qmax的比值，在同一坐标轴中绘制流量特性曲线图，模型A 的流量曲线与理想值对比如图8 所示。

图8 模型A 的流量曲线与理想值对比

由图8 可知，理想曲线斜率逐渐增大，而模型A恰好与之相反，二者之间相差较大，需要对其作进一步优化。首先，针对标准等百分比特性曲线在20%～100%范围内每20%取1 个点，共取5 个点。找到对应点的流量值，再对比原始模型曲线，找到在该流量下对应的开度值。最后，根据此开度值计算初步优化调节阀（B）的阀芯型面，如图9 所示。