油煤浆调节阀阀杆扭矩成因分析及结构优化

朱学军,杨方元,田小青,李虎生

(1.宁夏大学机械工程学院,宁夏 银川 750021; 2.吴中仪表有限责任公司,宁夏 吴中 751100)



油煤浆调节阀阀杆扭矩成因分析及结构优化

朱学军1,杨方元1,田小青1,李虎生2

(1.宁夏大学机械工程学院,宁夏 银川 750021; 2.吴中仪表有限责任公司,宁夏 吴中 751100)

用Solidworks建立油煤浆调节阀的三维实体模型,通过对阀杆机构的扭矩作用分析,应用CFX流体分析软件对流道内介质在不同压力下的流动进行仿真,研究调节阀扭矩产生的原因.以减小扭矩为优化目标,对调节阀阀芯及填料结构进行优化改进,为调节阀的优化设计提供参考方案.

调节阀; CFX; 扭矩; 结构优化

能源是社会和经济发展的重要物质基础,煤炭是我国的主要能源,在未来的相当长的时间内,我国能源以煤炭为主的格局是不会改变的.因此,立足于我国能源资源的特点,开发“煤代油”技术,对于我国的经济建设和能源安全具有战略意义[1-2].油煤浆就是一种以成本较低的煤来部分代替石油的新型节油燃料,可用于燃油锅炉和气化炉燃料的替代产品.油煤浆是由煤粉、油和少量添加剂制成的混合物,具有石油类似的流动性,可以像石油那样运输、泵送、雾化、燃烧,而且节约了石油的用量.因此是一项具有可行性的新型燃料油.

随着有煤浆的广泛运用,调节阀在油煤浆的制备和运输中起着至关重要的作用.油煤浆调节阀对流量的控制是通过改变节流的方式来达到,为了使高压的油煤浆在输送中降为低压状态,需要对调节阀的节流大小进行控制.实现这一过程是需要通过控制阀杆扭矩大小来调节阀门开口大小来完成的.随着压差的不同变化,扭矩大小也应随之改变,以确保整个阀门系统的稳定性和出口油煤浆压力的恒定不变.如何通过减小调节阀的扭矩,来降低执行机构的能耗,方便调节阀的操作，是本文想要解决的问题.

1 调节阀及流道模型的建立

文中采用的是一种ARC高压油煤浆调节阀,其阀门公称直径为DN80,ANSI2500,介质为油煤浆.流量特性为近似等百分比,Cv=17%(Cv为流量系数),行程90°,采用RB254-DA气缸活塞执行机构.ARC调节阀的结构特点是,采用角行程方式,由调节阀的气动执行机构提供扭矩,通过阀杆带动阀芯在0°～90°范围内旋转来调节阀门流量的大小.

1.1 调节阀建模

采用Solidworks软件进行调节阀三维建模,先对零部件进行建模,为了减少阀门出口的压力和流速,在阀座的下方添加了导流座和两组节流件.为了使模型与实际保持一致,建模过程中的所有数据与设计图纸保持一致.对建好的三维零件模型,在Solidworks组装界面进行组装.在组装过程中应注意,零件之间的装配位置和配合关系,确保组装后的装配体与实际的阀门一致.装配好的阀门总装图如图1所示.

图1 调节阀总装剖视图

1.2 流道建模及网格划分

调节阀扭矩与流道内介质压力有关,需要对调节阀的流道单独进行建模.通过前面建好的调节阀三维模型,在Solidworks中采用组合、连接重组等命令将ARC调节阀流道的三维模型分离出来.针对阀芯不同开度分别建模,采用CFD的前处理模块ICEM CFD对流道模型进行网格划分,不同开度的网格划分方法相同.调节阀90°开度时的流道图及网格划分图如图2,3所示.

图2 90°开度流道三维模型图

图3 90°开度流道网格划分图

2 调节阀扭矩分析

ARC调节阀阀杆扭矩由两个方面产生:机构内零部件的摩擦和介质压力的作用.

2.1 机构的扭矩作用分析

通过对ARC调节阀机构的分析可以发现ARC调节阀中主要产生扭矩部件在阀门的两个部分.其中一个是阀芯与阀座之间的摩擦力产生的扭矩,阀芯与阀座的结构图与平面图如图4所示.

图4 阀芯与阀座的结构图

阀芯与阀座之间的扭矩MF为

(1)

式中:F为弹簧预紧力;S1为介质与阀芯之间的作用面积;S为阀芯与阀座之间的接触面积;P为介质的内部压力;μ为阀芯与阀座之间的摩擦力(合金钢之间的摩擦系数取值为0.15)；r1为阀芯底部圆弧缺口处内部小圆直径；r2为阀芯底部轮廊的大圆直径；t为直径r的积分变量.

另一个是阀杆与填料之间产生的摩擦扭矩,阀杆与填料的结构平面图如图5所示.

图5 阀杆与填料的结构平面图

阀杆与填料之间的扭矩MT为[3]

(2)

式中:QT为阀杆与填料之间摩擦力；dF为填料作用在阀杆上的直径.

(3)

式中：μT为填料与阀杆的摩擦系数(石墨的摩擦系数取值为0.15)；hT为填料的总高度;P为介质作用车阀芯上的压力.

故阀门中阀杆扭矩M为

(4)

由于阀门内部还有部分较小的扭矩没有考虑到,还有在实际工况中的各种不可预测的因素影响.因此在选择执行机构的大小时,其输出的扭矩应该是计算扭矩的1.5倍左右,这样才能保证调节阀的正常运作.所以减小调节阀的扭矩可以从MF，MT两个方面进行考虑.

2.2 调节阀介质压力作用分析

采用CFX流体分析软件对不同压力、不同开度时的流道内介质压力特性进行数值模拟仿真,研究内部流场的分布情况[4-6].试验介质为油煤浆:固体煤含量为57%,油煤含量53%,工作密度为1 090 kg·m-3,动力黏度v=587 mPa·S,温度25℃.

2.2.1 40 MPa压差下全开时流场模拟仿真分析

对在40 MPa压差下90°开度时的调节阀进行数值模拟仿真,得到调节阀流道中心面处的压力云图，如图6所示.

从图6可以看出,压力压降阶梯形表现比较明显,进出口压差较大,分别为40.86 MPa和0.79 MPa,流道的压降主要用于克服调节阀节流元件的阻力.

2.2.2 不同压差下不同开度时流场模拟的仿真结果分析

试验设定压差5，23.35，40 MPa3种情况,在0°～90°之间分6组等间距开度进行流道数值模拟仿真,仿真过程与40 MPa压差全开度时的过程相同,对仿真结果的数据统计如表1所示.

图6 90°开度压力图

表1 调节阀仿真结果数据统计

从表1中的数据可以看出,油煤浆调节阀在同一压差时,随着开度的增大,流道中的最大压力和阀门扭矩速都是呈现先增加后减小的趋势.在调节阀中间开度45°时压力和扭矩都达到最大值.而对于同一开度不同压差时,流道中的最大压力和阀门扭矩都随这压差的增大而增大.所以在考虑到延长调节阀的使用寿命时,可以在满足流量的要求时尽量避开中间开度和高压差下使用调节阀.

3 调节阀的优化改进及比较

根据上面分析出来的扭矩产生的原因,对调节阀的机构进行优化改进[7-10],降低阀门的扭矩并减少执行机构的能耗,具体优化方案如下.

3.1 优化方案一

通过阀芯扭矩公式发现扭矩产与介质作用在阀芯上的接触面积有关.可以通过在增加阀芯杆部的直径,来减小介质与阀芯之间的接触面积.为了防止阀芯杆部直径过大阻碍介质的流通,优化后阀芯直径取56 mm.优化前后的阀芯结构如图7，8所示.

图7 原阀芯结构图

图8 优化后阀芯结构图

通过计算,得到优化后的阀芯扭矩和原扭矩的数值对比，如表2所示.

表2 阀芯扭矩计算结果

根据表2的数据,发现优化后的阀芯扭矩与原阀芯扭矩相比,在介质压力为23.8 MPa情况下扭矩都减小了7.87%,明显降低了阀芯扭矩的大小.

3.2 优化方案二

图9 原填料结构图

图10 优化后原填料结构图

通过计算,得到优化后的阀杆与填料的摩擦扭矩和原扭矩的数值对比，如表3所示.

表3 阀杆与填料的摩擦扭矩计算结果

根据表3的数据,发现优化后的阀芯扭矩与原阀芯扭矩相比,在介质压力为23.8 MPa的情况下扭矩都减小了25.32%，减小很多,因此这种优化方案比较理想.

3.3 优化方案三

在保证调节阀进、出口压力不变的情况下,可以通过何降低阀芯出的介质压力的方法来减小调节阀的扭矩.通过将阀座流道口进行向上切除拔模2°来实现,优化前后阀座的三维图如图11，12所示.

图11 原阀座三维图

对优化后的调节阀按照前面的处理方法进行数值模拟仿真,为了减少计算，本次优化只针对实际工况压差23.35 MPa下15°，45°,90°3个有代表性的开度进行仿真,然后计算优化后的调节阀扭矩大小,数据统计结果如表4所示.

图12 修改后阀座三维图

开度/(°)原阀芯扭矩/(N·m)优化后的阀芯扭矩/(N·m)变化率/%15313.52312.87-0.2145332.17326.92-1.5890316.20313.51-0.85

从表4可以看出,优化后的调节阀扭矩(在3个开度下)比原来的扭矩都有所降低,虽然降低的不是很多,但这种阀座流道口的优化方案为调节阀降低阀门扭矩提供了一种可行的参考方案.

4 结论

本文以减小扭矩为优化目标,通过研究调节阀扭矩产生的原因,对调节阀阀芯及填料结构进行了优化改进,实现了优化目的,并且该优化方法对其他类阀门的优化也具有一定的参考价值.

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Torque causation analysis and structural optimization on oil-coal slurry valve stem

ZHU Xue-jun,YANG Fang-yuan,TIAN Xiao-qing,LI Hu-sheng

(1.College of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.Wuzhong Instrument Co.，Ltd.，Wuzhong 751100，China)

Based on the 3D solid modeling via SolidWorksTM for oil-coal slurry valve, the torque effect on valve-stem mechanism is first analyzed.Then, the causation analysis is postulated using CFX method for flow simulation on internal media under different pressures.To reduce the torque, the regulator valve core and packing structure are improved to provide a reference to valve optimal design.

control valve; CFX; torque; structural optimization

朱学军(1970-),男，教授.E-mail:zxjxu@sohu.com

V 214.1

A

1672-5581(2016)03-0239-05