多级降压高压差调节阀设计及流场数值模拟研究

2014-12-17何秋岭

仪器仪表用户 2014年2期

何秋岭

（重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400707）

0 引言

在现代工业的实际生产中，高温、高压等特殊工况也越来越多，也对应用于高压差的调节阀提出了更高的要求。高压差调节阀使用中主要存在的问题不是压力大,而是压差特别大时,对阀芯、阀座产生严重的冲刷、气蚀，调节阀的寿命极短。为了能够有效防止冲刷、气蚀，延长使用寿命，通常采用两种方案：一种是采用硬质合金内件，提高阀内件硬度，增强抗冲刷、气蚀能力，但生产制造成本昂贵；第二种方案是采用多级降压的原理，将高压差分解为多个小压差，通过逐级降压来达到目的。相较于第一种方案，第二种方案制造生产成本较低，效果更好，更为经济。本文提出一种多级降压的结构来解决实际生产中的高压差问题。

1 多级降压高压差调节阀

多级降压高压差调节阀就是通过多级降压结构解决实际生产中的高压差问题。它精于控制在高温、高压、高压差以及含有固体颗粒条件下流体的压力和流量。该阀集中了普通单座式和迷宫式的优点，有效防止气蚀、冲刷，降低噪音。

1.1 多级降压高压差调节阀的结构及工作原理

本文提出多级降压结构，如图1所示。阀体组件主要由多级阀芯部件、阀座、套筒部件、阀体、上阀盖、密封环、圣戈班等零部件组成[1]。

图1 多级降压高压差调节阀

如图2所示的工作原理，阀芯采用串级降压的形式。介质沿阀芯和套筒轴线方向平行向上流动，逐步流过串级阀芯的节流台阶及套筒上均布排列的矩形窗口，使阀前阀后的实际压差沿阀芯轴线方向匀速降低，达到控制介质的流速、防止空化、降低噪音的效果。同时针对介质中所含的杂质和固体颗粒，串级阀芯的每个台阶处刃口与套筒上的窗口在阀关闭时起剪切作用，避免调节阀堵塞或粘接，保证阀的正常工作。同时解决了阀门起闭过程中的持续压差问题。当阀门开启时, 阀口比各级节流件要先开启, 此时作用在阀口的高压被均布分解, 阀口没有持续差压作用, 直至各级节流件已完全正常工作, 从而减少产生气蚀的可能性；当阀门关闭时, 多级降压高压差调节阀相当于有多个单座阀的阀口同时被关闭, 只不过后面几级的密闭性没有第一级的凡尔线密封严密。

图2 阀门的工作原理

1.2 计算阀门理论Cv

阀门的Cv值是工业控制阀的重要工艺参数和技术指标，是表示元件对液体的流通能力，即流量系数[2]。理论Cv计算公式为：

且式中:Q为介质最大质量流量，单位kg/s；

G 为介质比重（常温下，水的比重为1）；

P1为阀前压力，单位：0.1MPa；

P2为阀后压力，单位：0.1MPa；

根据国内某厂方提供的系统运行实际工况参数，阀前压力19.8 MPa，阀后压力为1.3 MPa，介质为常温水，介质比重为1,最大质量流量Q=7.2kg/s。

由公式（1）可知：

结合现场的实际工况，DN40口径的阀门完全满足条件，公称压力要等于或大于压差的1.5倍，所以选择DN40 ANSI2500 Cv=4、线性流量特性、开度55%的调节阀。

1.3 确定降压级数

当高压流体流经控制阀时，液体流速增加，产生了速度与压力的能量转换从而压力降低。当压力达到该流体温度对应下的饱和蒸汽压Pv时，部分液体就汽化形成蒸汽泡，这就是气蚀的第一个阶段。空化现象是当液体经过最小截面到达较大面积时，阀后压力增加, 即阀后压力高于饱合蒸汽压时气泡破裂或爆炸。如果阀后压力还在饱合蒸汽压以下时，汽泡就会继续形成闪蒸[3]。所以气蚀、空化、闪蒸都是阀门使用寿命缩短的重要原因。对于压差较大的场合，多级降压的显著作用就是控制缩流面处的压力Pvc，确保介质通过每一降压段时的压力不小于液体的饱和蒸气压，防止闪蒸、空化的产生。

在使用时, 应对阀的压力进行验算,即用每一级降压后的实际压力降与产后阻塞流后的降压后的压力进行比较，验算是否存在气蚀的现象。假设在下例的工况中为六级降压。

……………

从以上计算可知，在此实际工况中调节阀的临界气蚀点是在六级节流后。由此可见六级降压完全满足条件，没有气蚀的发生。

2 多级降压高压差阀内部流场的数值模拟

2.1 建立三维流道模型

利用Solidworks三维实体建模软件对调节阀内部流道进行三维建模。Solidworks是一款提供一系列的三维（3D）设计产品的软件，它可以帮助设计师减少设计时间，增加精确性，提高设计的创新性。该软件对阀体流道和套筒部件流道进行三维模型，并按国家标准GB/T17213.9-2005 中关于阀门流通能力测试管道配置规定，分别将进口端和出口端按2倍和6倍管径延长，可使数值模拟过程中进出口边界条件的设置更加符合实际情况。

2.2 数值模拟结果分析

使用CFD（即计算流体动力学）处理软件进行三维模型网格划分[4]。该模型采用整体生成非结构网格划分方法，为提高网格精度，将最小网格尺寸设置为0.1mm，最大为1.5mm，并通过Smooth Elements Globally 进行网格顺滑处理，使网格质量处于较高水平。经划分，网格数为340 万左右。将网格导入CFD 软件，边界相关边界条件[5-6]。其中，设置压力进口为19.8Mpa，压力出为1.3Mpa，介质为常温水。经数值计算，计算结果如下：

2.2.1 理论流量特性与模拟流量特性比对

模拟计算出55%开度下通过阀门的流量为7.4kg/s，全开时通过的阀门流量为13.09kg/s，与实际工况流量相符。在10%,20%......100%不同开度下的模拟Cv值，如表1所示。

表1 不同开度下的CV值

阀门开度与理论计算开度接近，在开度55%左右达到计算Cv值2.2。该串级降压调节阀的模拟流量特性曲线和理论流量特性曲线基本吻合，具有线性流量特性。但在低开度时，模拟流量系数略高于理想流量系数。分析原因，主要因阀门在低开度时所建立模型与实际模型存在误差导致。但从总体来看，模拟流量特性已较真实的反应实际理想流量状态。由此，CFD数值模拟的准确度对串级降压调节阀设计与实验具有重要的指导意义。如图3所示。