| 0 前言
閥籠式調節閥在自動(dòng)化控制過(guò)程中起著(zhù)關(guān)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(dòng)元件構成，調節閥的運動(dòng)元件按照職能的不同分為執行部件和閥門(mén)部件兩部分。
調節閥工作時(shí)，閥瓣沿著(zhù)套筒安裝軸線(xiàn)上下運動(dòng)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(guò)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關(guān)系，因此形成了各種流量特性。因此，調節閥工作過(guò)程中為實(shí)現特定
流量特性要求和流體進(jìn)出口壓力調節功能，需要設計符合要求精度的閥籠式調節閥套筒結構團。
國內的調節閥技術(shù)發(fā)展起步較晚，技術(shù)人員用于設計的經(jīng)驗公式與實(shí)驗結果有較大的誤差團。傳統的調節閥設計過(guò)程中缺少新技術(shù)的應用，也缺少在實(shí)際工況下的模擬仿真過(guò)程，故本文作者從閥籠式調節閥流量特性的孔板流量計原理和流體力學(xué)的連續性方程推導調節閥橫截而積的設計公式。為滿(mǎn)足在不同開(kāi)度下均符合固有流量特性曲線(xiàn)，完成套筒的窗口形狀設計，以4條固有流量特性曲線(xiàn)(直線(xiàn)型流量特性、
等百分比型流量特性、拋物線(xiàn)型流量特性和快開(kāi)型流量特性)為例，并設置進(jìn)出口壓力差，通過(guò)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(chǎng)和邊界效應對不同開(kāi)度下實(shí)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閥套筒具有以下優(yōu)點(diǎn):可設計實(shí)現特定要求的套筒，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(mǎn)足實(shí)際工作要求，可靠性強;運用CFD仿真軟件仿真實(shí)驗環(huán)境，效率高。
1 固有流量特性及套筒窗口計算
1. 1 調節閥的流量特性
調節閥的流量特性，是指調節閥在某一行程下流量口與全開(kāi)時(shí)的流量口max之比的相對流量(Q/Qmax )與某一行程l與全開(kāi)行程l的相對開(kāi)度(l/L)之間的函數關(guān)系，表示為Q/Qmax =f (l/L)。相對開(kāi)度是利用執行器驅動(dòng)閥桿控制閥瓣與套筒沿套筒軸向的相對位置，改變套筒節流而積大小實(shí)現控制閥流量的調節。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(guān)鍵。然而在實(shí)際工況中，由于多種因素的影響，閥門(mén)前后壓降不穩定將導致介質(zhì)流量不斷變化，為了便于分析，在設計過(guò)程中通常設定閥門(mén)壓降恒定，再根據實(shí)際工況進(jìn)行修正，兩者分別稱(chēng)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應用場(chǎng)合不同主要分為直線(xiàn)、等百分比(對數)、拋物線(xiàn)及快開(kāi)特性4種因，如圖1所示，通過(guò)相對流量和相對位移之間不同數學(xué)表達式（1）一式（4）分別進(jìn)行計算，其中K是常
圖1 4種固有流量特性曲線(xiàn)
1.2套筒橫截面積公式推導
介質(zhì)流經(jīng)調節閥時(shí)橫截而的變化產(chǎn)生閥前后的壓差，從而改變通過(guò)調節閥的流量。介質(zhì)通過(guò)調節閥時(shí)，產(chǎn)生局部壓力損失。根據流體力學(xué)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。即公式(5)
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(gè)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，用式(6)表達
當流體介質(zhì)流經(jīng)調節閥時(shí)，其流速和壓力都會(huì )發(fā)生變化，流速在調節閥閥口處達到峰值后的靜壓力下降十分顯著(zhù)。在流經(jīng)調節閥后，靜壓力不能完全恢復到閥前的壓力，這是因為介質(zhì)在通過(guò)調節閥時(shí)，流體內部的相互摩擦導致部分動(dòng)能以熱能的形式散失，導致介質(zhì)溫度上升。
在實(shí)際運行過(guò)程中，流體流經(jīng)管路時(shí)產(chǎn)生能量損失h。根據能量守恒，必須把這部分能量計入。在實(shí)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(jiǎn)得式(8)
則經(jīng)過(guò)調節閥時(shí)，流體的動(dòng)能損失可用式(9)表示
假設能量只在各個(gè)水頭之間相互轉換，且沒(méi)有能量損失，從而推導出了式(10)
由流體流動(dòng)的連續性方程流量口等于流通而積和流速的乘積可得式(11)
上式為調節閥的流量方程。計算過(guò)程中，d是孔徑，A是套筒全開(kāi)時(shí)的流通而積，A。是過(guò)流而積，常以cm為單位，閥門(mén)前后的壓力差常以100 kP。為單位，流體密度以g/c時(shí)為單位，所以常用式(13)來(lái)代替
綜上所述，調節閥是通過(guò)改變閥的開(kāi)度來(lái)改變閥的流通而積，不同的開(kāi)度下有不同的開(kāi)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，連續性方程是根據截而和流速的乘積相等的方程，三者與任一流量特性曲線(xiàn)求解即可得某截而的而積。
流量系數K、是指調節閥通過(guò)密度為p = 1 kg幾的介質(zhì)、壓力損失為105 Pa而損失的流量，它的單位是m3/h。流量系數與安裝的調節閥的管路系統無(wú)關(guān)，僅與閥門(mén)的結構和開(kāi)度有關(guān)，用方程(14)表示
與式(13)化簡(jiǎn)聯(lián)立，開(kāi)度時(shí)的理論流通而積A，可得調節閥套筒在任一見(jiàn)式(15)
1. 3套筒橫截面積計算
套筒閥的工作原理是通過(guò)閥芯部件(閥瓣和套筒窗口)的相對位移達到控制閥門(mén)流量的目的。調節閥的開(kāi)度最大時(shí)，流量系數和流量達到最大，分別用Kvmax和qvmax表示。R為調節閥的可調比。直線(xiàn)、等百分比(對數)、拋物線(xiàn)及快開(kāi)4種流量特性，對數學(xué)表達式(1)一式(4)分別代入邊界條件為:l=0時(shí)，qv=qvmax; l=L.時(shí)，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
求得套筒的窗口數據。
建立閥芯行程30 mm的套筒。劃分3 mm為一個(gè)計算值點(diǎn)，30 mm的閥芯行程被均勻地分成10份，在各個(gè)計算值點(diǎn)之間采用梯形而積的計算方法，并利用倒角、圓弧與各個(gè)窗口寬度兩端的連接以校正和擬合設計曲線(xiàn)。最終設計得到的形狀通過(guò)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(guò)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(xiàn)的窗口形狀如圖2一圖5所示。
圖2 直線(xiàn)型流量特性套筒窗口形狀
圖3 等百分比型流量特性套筒窗口形狀
圖4 拋物線(xiàn)型流量特性套筒窗口形狀
圖5 快開(kāi)型流量特性套筒窗口形狀
套筒的窗口個(gè)數一般為偶數，對稱(chēng)分布，有利于流體介質(zhì)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(dòng)。通過(guò)計算公式(巧)一式n 9>，窗口數據計算結果如表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
的參數得以實(shí)現。
由于在小開(kāi)度時(shí)閥門(mén)內部流阻系數大，調節性能變差，故在設計窗口形狀時(shí)針對小開(kāi)度時(shí)部分舍棄流量特性，優(yōu)化在30%一80%的流量調節性能，提高調節閥的實(shí)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閃蒸或空化的場(chǎng)合，穩定性好，噪聲低。流體介質(zhì)從閥體的進(jìn)口流道流入，通過(guò)籠式套筒的底部進(jìn)入套筒內，再通過(guò)籠式套筒的窗口進(jìn)入出口流道。
通過(guò)SolidWorks軟件建立了符合直線(xiàn)型、等百分比型、拋物線(xiàn)型和快開(kāi)型流量特性的4個(gè)套筒，每個(gè)套筒的窗口個(gè)數為4個(gè)，均勻分布于公稱(chēng)直徑為100mm的圓壁，采用線(xiàn)切割加工窗口形狀。
閥門(mén)的理想流量特性是在維持閥門(mén)兩端壓差不變
(卻△p= 0. 1 MPa)的環(huán)境中得到。小開(kāi)度時(shí)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(zhù)閥門(mén)開(kāi)度的變化是否滿(mǎn)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(zhì)的三維立體模型導入項目管理區Meshing，將物理模型設定為計算流體動(dòng)力學(xué)CFD模型，求解器為FLUENT，關(guān)聯(lián)度設置為100完全關(guān)聯(lián)，關(guān)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。
圖6 網(wǎng)格劃分后的套筒
2. 3參數設置及求解結果
湍流模型假設流動(dòng)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。操作壓力默認為一個(gè)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(shí)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(chǎng)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K、與相對開(kāi)度llL的關(guān)系，相對流量系數Kv的理論值由公式(16)一式(19}計算得到，與經(jīng)過(guò)FLUENT軟件迭代運算得到的仿真值相比，在30%80%區間內總體上吻合性較好。
圖7 直線(xiàn)型流量特性套筒的仿真結果
圖8 等百分比型流量特性套筒的仿真結果
圖9 拋物線(xiàn)型流量特性套筒的仿真結果
圖10 快開(kāi)型流量特性套筒的仿真結果
在小開(kāi)度時(shí)調節閥內部結構對流場(chǎng)的影響較明顯，因此在設計時(shí)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(guò)程簡(jiǎn)化了一些復雜結構，使流阻減小，故其不符合流量特性曲線(xiàn)。設計大開(kāi)度時(shí)為增大流通能力，窗口適當增大，故少量偏離流量特性曲線(xiàn)的計算值。調節閥套筒使用過(guò)程中，適用范圍為30% } 80%開(kāi)度區間，故設計符合要求。
圖11、圖12分別是拋物線(xiàn)型流量特性的套筒窗口在40%和80%開(kāi)度時(shí)出口處的速度分布云圖。可知:40%開(kāi)度時(shí)比80%開(kāi)度時(shí)的速度分布更均勻，而在80%開(kāi)度時(shí)，出口下方左右兩側拐角處及下側流道拐角處流速近似0，即此處是調節閥工作時(shí)介質(zhì)流動(dòng)的閉死區域。
圖11 拋物線(xiàn)型流量特性套筒40%開(kāi)度時(shí)速度仿真云圖
圖12 拋物線(xiàn)型流量特性套筒80%開(kāi)度時(shí)速度仿真云圖
4結論
基于調節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。根據流量特性的不同要求，設計了滿(mǎn)足4種固有流量特性曲線(xiàn)的套筒。與現存的設計方法相比，該方法有如下特點(diǎn):
(1)設計周期短，計算精準度高。避免傳統設計經(jīng)驗公式的粗略，套筒窗口形狀的設計結果更適應實(shí)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(shí)驗目的。調節閥開(kāi)度為30%~80%在仿真軟件中的結果更接近理論計算值，小開(kāi)度時(shí)因設計時(shí)避免調節閥內部流阻過(guò)大而增大流通而積，因此與理論計算值有偏差，可在這一區間范圍內進(jìn)行再次設計，以進(jìn)一步減小誤差。
(3)按照該設計方法，可根據實(shí)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(dòng)性能能得到針對性的提高，具有一定的工程應用價(jià)價(jià)值。 |
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