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調節閥介質流向對不平衡力的影響
來源: | 作者: | 發布時間: 2183天前 | 39 次瀏覽 | 分享到:

    1 概述

    控制閥是過程控制中的重要組件,隨著自動化技術的發展,已被廣泛地應用于冶金欢乐28平台、電力欢乐28平台、石油和化工等工業部門中,控制設備的正常使用與調節閥的穩定性及使用壽命密切相關欢乐28平台。為了使調節閥能長時間穩定工作,不僅要研究調節閥內部流場,同時也需要對執行機構進行研究欢乐28平台。在調節閥工程設計中,執行機構在閥全關時輸出推力應滿足1.1(不平衡力+閥座壓緊力)。其中,閥座壓緊力與調節閥類型相關欢乐28平台,受其他條件影響小欢乐28平台,因此執行機構的選擇主要受調節閥不平衡力的影響。

    2 結構性能

    調節閥介質流向分為底進側出(流開型)和側進底出(流關型)(圖1)。介質流動方向的改變,一方面會引起調節閥前后壓力和方向改變,使不平衡力作用方向或大小發生改變,另一方面會使介質對閥瓣的繞流方向發生改變,從而改變流體阻力,使作用在閥瓣上的不平衡力發生改變。這些變化會對調節閥執行機構的選擇產生影響,從而影響調節閥的穩定性及使用壽命。因此欢乐28平台,介質流向的選擇對調節閥的選型設計和穩定性有著極為重要的意義。

(a)流開型   (b)流關型

圖1 直通單座調節閥不平衡力分析

    3 不平衡力計算

    閉合狀態下流開型調節閥不平衡力Ftk和流關型調節閥不平衡力Ftg分別為

        (1)

        (2)

    式中  Ftk、Ftg———不平衡力,

    Nds———閥桿直徑欢乐28平台,mm

    dg———閥瓣直徑,mm

    p1———閥上游壓力欢乐28平台,MPa

    p2———閥下游壓力,MPa

    閥瓣上表面和下表面所受的壓力隨著開度的變化而變化。為方便計算閥瓣上、下表面所受的壓力值,將閥瓣上、下表面所受壓力變化近似轉換為等效閥瓣截面積的變化欢乐28平台。

    調節閥在流開狀態時,閥桿處于流體的流出端,其不平衡力近似為入口壓力p1和出口壓力p2與等效閥瓣截面積Sh作用的結果,即

        (3)

    式中 Δp———閥前后壓差,MPa

    Sh———某一開度下等效閥瓣截面積,mm2

    將問題簡化,對Sh和行程h之間的關系取泰勒展開式,其五階近似式為

        (4) 

    將式(4)帶入式(3),則式(3)簡化為

    

    調節閥在流關狀態時,閥桿處于流體的流入端。取泰勒展開式后,其不平衡力計算的五階近似式為

        (6)

    4 內部流場數值模擬

    4.1 三維模型

    快速更換式調節閥的公稱通徑為200mm欢乐28平台,等百分比流量特性,行程60mm。根據調節閥結構對稱性,取流道的一半建模欢乐28平台,為了使進出口不產生回流,前后管道各加長3倍管徑的長度(圖2)。

圖2 流道模型

    4.2 網格劃分

    將流道模型分為5部分。流體在流經閥瓣和閥座時,壓力梯度和速度梯度變化較大,采用較密的非結構四面體網格欢乐28平台。在進口和出口處,流體流動較簡單欢乐28平台,流速較低且比較平穩,采用較疏的六面體網格。其余兩個部分欢乐28平台,由于結構較為復雜,采用非結構四面體網格。5部分共計網格數量為196229(圖3)。

圖3 流道網格模型

    4.3 求解模型

    設定入口壓力為3MPa,出口壓力為2.75MPa,對稱面邊界條件以及閥瓣面的壁面邊界條件。由于控制閥內部流場結構復雜,當流體流經閥體時,會產生非常復雜的流動狀態欢乐28平台,雖有旋渦和分離流,但不是強旋渦,屬于中等強度的雷諾數欢乐28平台,因此計算模型取標準模型。由于流體與閥體內部邊界面沒有滑移欢乐28平台欢乐28平台,所以固體邊界面取無滑移邊界條件欢乐28平台。

    5 結果分析

    5.1 介質流向對不平衡力的影響

    直行程調節閥不平衡力是調節機構中控制閥的閥瓣所受的軸向合力欢乐28平台,其大小和方向是執行機構選型的重要指標之一。取前后壓差為0.25MPa,針對不同開度進行數值模擬(表1)。根據不同開度下的計算值得到不平衡力的變化趨勢圖(圖4)。

表1 調節閥不平衡力數值模擬值

    根據流開型調節閥不平衡力Ftk和流關型調節閥不平衡力Ftg變化趨勢欢乐28平台,得到兩個五階近似多項式。

    

    

    分析調節閥不平衡力變化趨勢欢乐28平台,流開型調節閥不平衡力總是比流關型調節閥大。流開型控制閥不平衡力在各開度下為正。流關型調節閥不平衡力在開度大于32mm時欢乐28平台,不平衡力為正值,在開度小于32mm時,不平衡力為負值。

圖4 調節閥不平衡力變化趨勢

    5.2 60%開度時介質流向的影響

    流開型調節閥閥瓣在閥門開度為60%時,受沖刷作用較強,且密封面附近也受到沖刷(圖5)。流開型調節閥受到的不平衡力在60%開度時逐漸趨于平穩,*后穩定在2.6kN(圖6)。由于模型取流道的一半進行計算,因此,不平衡力為5.2kN。

圖5 流開型調節閥閥瓣受沖刷作用點分布

圖6 流開型調節閥不平衡力隨時間的變化

 

    流關型調節閥在閥門開度為60%時,受沖刷作用位置主要集中在閥瓣底部,距離密封面較遠(圖7)欢乐28平台。流關型調節閥受到的不平衡力沒有收斂的趨勢,始終在85~283N之間波動(圖8),因此,不平衡力在170~566N之間波動。

    6 結語

    (1)從調節閥所受不平衡力的大小和閥瓣所受沖刷作用點分析,流關型調節閥不平衡力小欢乐28平台,閥瓣受沖刷影響小,可以提高調節閥的使用壽命欢乐28平台。

圖7 流關型調節閥閥瓣受沖刷作用點分布

圖8 流關型調節閥不平衡力隨時間的變化

    (2)從調節閥所受不平衡力的方向和穩定性分析,流開型調節閥不平衡力方向始終為正方向欢乐28平台,且不平衡力穩定欢乐28平台,而流關型控制閥不平衡力方向有時為正方向,有時為負方向,且不平衡力在有些開度下是波動的。

    (3)流關型調節閥不平衡力的方向變化對執行機構的選型帶來極大影響,這種流向的調節閥無法應用于氣動薄膜執行機構,而且不平衡力的波動極大影響了調節閥的穩定性及使用壽命,因此,一般直行程單座控制閥設計成流開型。

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