發(fā)布于:2019/7/22 10:11:56 點擊量:539
本文是關于“閥籠式調節(jié)閥套筒的設計與流量特性分析”,我們一起來學習一下吧:
0 前言
閥籠式調節(jié)閥在自動化控制過程中起著關鍵的作用,它是工業(yè)生產(chǎn)控制中的重要部件,由一系列的運動元件構成,調節(jié)閥的運動元件按照職能的不同分為執(zhí)行部件和閥門部件兩部分。
調節(jié)閥工作時,閥瓣沿著套筒安裝軸線上下運動遮擋窗口而積,從而改變流通窗口而積。流體從下管道流入,經(jīng)過套筒窗口,從上管道流出。由于閥瓣的行程和流出體積之間不同的函數(shù)關系,因此形成了各種流量特性。因此,調節(jié)閥工作過程中為實現(xiàn)特定
流量特性要求和流體進出口壓力調節(jié)功能,需要設計符合要求精度的閥籠式調節(jié)閥套筒結構團。
國內的調節(jié)閥技術發(fā)展起步較晚,技術人員用于設計的經(jīng)驗公式與實驗結果有較大的誤差團。傳統(tǒng)的調節(jié)閥設計過程中缺少新技術的應用,也缺少在實際工況下的模擬仿真過程,故本文作者從閥籠式調節(jié)閥流量特性的孔板流量計原理和流體力學的連續(xù)性方程推導調節(jié)閥橫截而積的設計公式。為滿足在不同開度下均符合固有流量特性曲線,完成套筒的窗口形狀設計,以4條固有流量特性曲線(直線型流量特性、
等百分比型流量特性、拋物線型流量特性和快開型流量特性)為例,并設置進出口壓力差,通過Solid-Works軟件建模與FLUENT軟件基于CFD (Computa-tional Fluid Dynamics)仿真模擬,得到所設計套筒的工作流量特性,分析套筒內部流場和邊界效應對不同開度下實際流量特性的影響[Cs7按照文中的設計方法所得的閥籠式調節(jié)閥套筒具有以下優(yōu)點:可設計實現(xiàn)特定要求的套筒,通用性強;經(jīng)仿真驗證套筒的工作流量特性在誤差范圍內,能滿足實際工作要求,可靠性強;運用CFD仿真軟件仿真實驗環(huán)境,效率高。
1 固有流量特性及套筒窗口計算
1. 1 調節(jié)閥的流量特性
調節(jié)閥的流量特性,是指調節(jié)閥在某一行程下流量口與全開時的流量口max之比的相對流量(Q/Qmax )與某一行程l與全開行程l的相對開度(l/L)之間的函數(shù)關系,表示為Q/Qmax =f (l/L)。相對開度是利用執(zhí)行器驅動閥桿控制閥瓣與套筒沿套筒軸向的相對位置,改變套筒節(jié)流而積大小實現(xiàn)控制閥流量的調節(jié)。流量特性的研究是除總體結構、密封和壓力自平衡研究外的一項關鍵。然而在實際工況中,由于多種因素的影響,閥門前后壓降不穩(wěn)定將導致介質流量不斷變化,為了便于分析,在設計過程中通常設定閥門壓降恒定,再根據(jù)實際工況進行修正,兩者分別稱為固有流量特性和工作流量特性圖。其中固有流量特性根據(jù)應用場合不同主要分為直線、等百分比(對數(shù))、拋物線及快開特性4種因,通過相對流量和相對位移之間不同數(shù)學表達式(1)一式(4)分別進行計算,其中K是常
1.2套筒橫截面積公式推導
介質流經(jīng)調節(jié)閥時橫截而的變化產(chǎn)生閥前后的壓差,從而改變通過調節(jié)閥的流量。介質通過調節(jié)閥時,產(chǎn)生局部壓力損失。根據(jù)流體力學中的伯努利方程,當流體壓力發(fā)生變化,各壓頭之間互相轉化,流體的壓頭主要有位置壓頭、靜壓頭和速度壓頭。節(jié)流閥的總壓頭H為位置壓頭h、靜壓頭h和速度壓頭h三者之和。其中P為流體的壓力,P為流體密度,v為流速。
伯努利方程中理想流體(不存在摩擦阻力)的總能量不變,即位置壓頭、靜壓頭、速度壓頭的和總是一個固定值。用下標1, 2分別表示兩處流體位置,P為流體的壓力
當流體介質流經(jīng)調節(jié)閥時,其流速和壓力都會發(fā)生變化,流速在調節(jié)閥閥口處達到峰值后的靜壓力下降十分顯著。在流經(jīng)調節(jié)閥后,靜壓力不能完全恢復到閥前的壓力,這是因為介質在通過調節(jié)閥時,流體內部的相互摩擦導致部分動能以熱能的形式散失,導致介質溫度上升。
在實際運行過程中,流體流經(jīng)管路時產(chǎn)生能量損失h。根據(jù)能量守恒,必須把這部分能量計入。在實際工況下,式(7)為完整形式的流體伯努利方程
因為管道是水平安裝的,因此位置壓頭都相等,即h1 =h2,將公式化簡得式(8)
則經(jīng)過調節(jié)閥時,流體的動能損失可用式(9)表示
假設能量只在各個水頭之間相互轉換,且沒有能量損失,從而推導出了式(10)
由流體流動的連續(xù)性方程流量口等于流通而積和流速的乘積可得式(11)
上式為調節(jié)閥的流量方程。計算過程中,d是孔徑,A是套筒全開時的流通而積,A。是過流而積,常以cm為單位,閥門前后的壓力差常以100 kP。為單位,流體密度以g/c時為單位,所以常用式(13)來代替
綜上所述,調節(jié)閥是通過改變閥的開度來改變閥的流通而積,不同的開度下有不同的開度阻力,以完成流量特性的變化。伯努利方程是理想情況下能量不變的守恒方程式,連續(xù)性方程是根據(jù)截而和流速的乘積相等的方程,三者與任一流量特性曲線求解即可得某截而的而積。
流量系數(shù)K、是指調節(jié)閥通過密度為p = 1 kg幾的介質、壓力損失為105 Pa而損失的流量,它的單位是m3/h。流量系數(shù)與安裝的調節(jié)閥的管路系統(tǒng)無關,僅與閥門的結構和開度有關,用方程(14)表示
與式(13)化簡聯(lián)立,開度時的理論流通而積A,可得調節(jié)閥套筒在任一見式(15)
1. 3套筒橫截面積計算
套筒閥的工作原理是通過閥芯部件(閥瓣和套筒窗口)的相對位移達到控制閥門流量的目的。調節(jié)閥的開度最大時,流量系數(shù)和流量達到最大,分別用Kvmax和qvmax表示。R為調節(jié)閥的可調比。直線、等百分比(對數(shù))、拋物線及快開4種流量特性,對數(shù)學表達式(1)一式(4)分別代入邊界條件為:l=0時,qv=qvmax; l=L.時,qv=qvmax,分別得到流量特性方程式(16)一式(19),分別與式(15)聯(lián)立求解
求得套筒的窗口數(shù)據(jù)。
建立閥芯行程30 mm的套筒。劃分3 mm為一個計算值點,30 mm的閥芯行程被均勻地分成10份,在各個計算值點之間采用梯形而積的計算方法,并利用倒角、圓弧與各個窗口寬度兩端的連接以校正和擬合設計曲線。最終設計得到的形狀通過CAD ( Com-puter Aided Design)軟件的massprop命令驗證窗口橫截而積的精度,使設計窗口的而積與通過理論計算得到的而積之間的誤差小于0. 1%0。4種流量特性曲線的窗口形狀如圖2一圖5所示。
套筒的窗口個數(shù)一般為偶數(shù),對稱分布,有利于流體介質在閥籠式套筒中間互相沖擊消耗靜壓能量,降低噪聲,避免振動。通過計算公式(巧)一式n 9>,窗口數(shù)據(jù)計算結果如表t所示。因此,采取不同值的可調比R即控制最大流量和最小流量之比
的參數(shù)得以實現(xiàn)。
由于在小開度時閥門內部流阻系數(shù)大,調節(jié)性能變差,故在設計窗口形狀時針對小開度時部分舍棄流量特性,優(yōu)化在30%一80%的流量調節(jié)性能,提高調節(jié)閥的實際使用性能。
2 基于FLUENT軟件的仿真模擬
2. 1 套筒模型的建立
套筒閥適合閥前后壓差大和液壓出現(xiàn)閃蒸或空化的場合,穩(wěn)定性好,噪聲低。流體介質從閥體的進口流道流入,通過籠式套筒的底部進入套筒內,再通過籠式套筒的窗口進入出口流道。
通過SolidWorks軟件建立了符合直線型、等百分比型、拋物線型和快開型流量特性的4個套筒,每個套筒的窗口個數(shù)為4個,均勻分布于公稱直徑為100mm的圓壁,采用線切割加工窗口形狀。
閥門的理想流量特性是在維持閥門兩端壓差不變
(卻△p= 0. 1 MPa)的環(huán)境中得到。小開度時因內部結構產(chǎn)生的較大阻力對理想流量特性的影響,為驗證工作流量特性隨著閥門開度的變化是否滿足設計要求,檢測偏離程度的影響,采用FLUENT軟件仿真驗證套筒窗口形狀設計。
2. 2 套筒網(wǎng)格劃分
套筒中流體介質的三維立體模型導入項目管理區(qū)Meshing,將物理模型設定為計算流體動力學CFD模型,求解器為FLUENT,關聯(lián)度設置為100完全關聯(lián),關聯(lián)中心設置為Fine,網(wǎng)格劃分方法為Cutcell o圖6為劃分網(wǎng)格后的套筒。
2. 3參數(shù)設置及求解結果
湍流模型假設流動為完全湍流,分子瓢性可以忽略,因此選用雙方程模型的κ一ε模型。作壓力默認為一個大氣壓,閥前后壓差設置為0. 1 MPa,與設計公式(13)一致。若要設計特定壓差的符合實際工況要求的套筒,可在公式(13)中代入前后壓差值,在仿真環(huán)境中分別填入前后壓差值,計算可得符合工廠生產(chǎn)使用的特殊要求套筒。
3 仿真結果分析
FLUENT仿真模擬后得如圖7一圖10所示相對流量系數(shù)K、與相對開度llL的關系,相對流量系數(shù)Kv的理論值由公式(16)一式(19}計算得到,與經(jīng)過FLUENT軟件迭代運算得到的仿真值相比,在30%80%區(qū)間內總體上吻合性較好。
在小開度時調節(jié)閥內部結構對流場的影響較明顯,因此在設計時應將窗口形狀適當改變以減小流阻的影響、提高使用壽命,而仿真過程簡化了一些復雜結構,使流阻減小,故其不符合流量特性曲線。設計大開度時為增大流通能力,窗口適當增大,故少量偏離流量特性曲線的計算值。調節(jié)閥套筒使用過程中,適用范圍為30% } 80%開度區(qū)間,故設計符合要求。
圖11、圖12分別是拋物線型流量特性的套筒窗口在40%和80%開度時出口處的速度分布云圖??芍?40%開度時比80%開度時的速度分布更均勻,而在80%開度時,出口下方左右兩側拐角處及下側流道拐角處流速近似0,即此處是調節(jié)閥工作時介質流動的閉死區(qū)域。
4結論
基于調節(jié)閥套筒而積與流量公式理論,提出一種經(jīng)三維建模和仿真模擬建立套筒窗口模型的設計方法。根據(jù)流量特性的不同要求,設計了滿足4種固有流量特性曲線的套筒。與現(xiàn)存的設計方法相比,該方法有如下特點:
(1)設計周期短,計算精準度高。避免傳統(tǒng)設計經(jīng)驗公式的粗略,套筒窗口形狀的設計結果更適應實際工況的工作環(huán)境。
(2)仿真結果與理論結果大致擬合,達到實驗目的。調節(jié)閥開度為30%~80%在仿真軟件中的結果更接近理論計算值,小開度時因設計時避免調節(jié)閥內部流阻過大而增大流通而積,因此與理論計算值有偏差,可在這一區(qū)間范圍內進行再次設計,以進一步減小誤差。
(3)按照該設計方法,可根據(jù)實際工況要求,設定前后壓差值代入式(13),并與需要達到的流量特性方程聯(lián)立,求解得符合特定要求的套筒。該種套筒的流動性能能得到針對性的提高,具有一定的工程應用價價值。
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