调节阀阀口设计与仿真分析

    1 调节阀简介

    调节阀又称控制阀，它是过程控制系统中用动力操作去改变介质流量的装置，广泛应用于核电、石化、冶金、电站等行业。调节阀由执行机构和阀门部件两部分组成：执行机构是调节阀的驱动装置，它按信号压力的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，从而带动阀芯动作；阀门部件是调节阀的调节部分，它直接与介质接触，通过执行机构推杆的位移，改变调节阀的节流面积，达到调节的目的。

    套筒式调节阀是一种特殊的调节阀，典型结构如图1所示。其阀体与直通单座式阀体相似，但阀内有一个圆形套筒。套筒四周有不同形状的开口，根据流通能力大小来设计窗口的数量。利用套筒导向，阀芯可以在套筒中上、下移动，由于这种移动改变了套筒的节流面积，形成了各种流量特性，并实现流量的调节。由于套筒调节阀采用平衡型的阀芯结构，阀芯和套筒圆柱面导向，因此，不平衡力小，稳定性好，不易震荡，从而改善原有阀芯容易损坏的现象。

图1 套筒式调节阀典型结构

    2 固有流量特性及阀口设计计算

    调节阀的线性度影响着整个系统的性能，故它的流量特性非常重要。调节阀的固有流量特性是指阀前后压差保持不变时，介质通过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系。阀门的固有流量特性有快开、直线、等百分比和抛物线4种，由于在实际应用当中阀门流量特性发生畸变，故多采用等百分比流量特性。

    等百分比流量特性是指阀口单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比的关系，即调节阀的放大系数随着流量的变化而变化。数学表达式如式（1）：

        （1）

    积分变换得：

        （2）

    根据边界条件：l=0时，Q=Q_min；l=L时，Q=Q_max；

    计算得在理想状态下可调比R=；可得流量系数

        （3）

    调节阀在整个系统中相当于一个可变节流元件，其节流原理与孔板节流相似，对于不可压缩流体可以应用流体力学基本方程。应用连续性方程时，取阀口通径为截面1，调节阀节流口节流面积为截面2。在应用伯努利方程时，假定调节阀水平安装，故可忽略位置水头的影响。在计算过程中流通面积A取cm²；阀前后压差Δp=（p₁－p₂）取100kPa；流体密度ρ取g/cm³；流量Q取m³/h。即得调节阀流量计算公式为：

        （4）

    令：

    得调节阀过流面积与其流量系数的关系：

        （5）

    在已知调节阀各个开度下的流量系数的前提下，即可得出该时刻调节阀的开口面积大小，从而设计调节阀。

    套筒式调节阀采用平衡型的阀芯结构，根据流通能力的大小，套筒的窗口可以为多个、4个、2个或1个。文中所设计调节阀参数如下：公称通径DN=80，最大流量系数K_vmax=40，可调比R=50，阀芯行程为30mm。不同开度下的流量系数和开口面积如表1所示。

表1 流量系数与阀口面积计算值

    通过计算得到阀口过流面积的大小，就可以确定不同相对开度时套筒的阀口形状，设计阀口如图2所示。由于在小开度时调节阀的调节性能非常差，且实际使用中调节阀两端的压差是随着开口变化而变化的，所以开度在30%～80%时流量调节性能最好。

图2 套筒窗口计算尺寸

    3 数值模拟

    3.1 流道建模与网格划分

    计算模型采用图1所示的套筒式调节阀，通过三维建模软件UG建立调节阀简化结构，进出口直径都为80mm，套筒窗口尺寸按设计计算值。进行仿真分析前，要对流体部分进行网格划分，通过布尔运算得到调节阀在不同开度下的三维流道图，并保存成.step格式。通过ICEM进行网格划分，计算网格数为30万。

    3.2 Fluent采用的设置

    将.msh文件导入Fluent设置后进行计算。该算例湍流模型采用标准的κ－ε模型，离散方程的求解方法，采用非结构网格上的SIMPLE算法，速度压力场采用隐式的全场迭代解法，边界条件规定进口总压力与出口压力，进口压力设置为1000kPa，出口压力设置为900kPa。设定好上述求解控制方程后，即可求解阀芯不同开度的模型。

    3.3 仿真结果与计算

    通过仿真计算结果可以得出调节阀不同开度下的相对流量系数，如表2所示。

表2 相对流量系数

    计算得到的流量系数与仿真结果曲线如图3所示，二者在小开度时有一定误差，这是由于在小开度时阀门内部结构的流阻系数对流量系数的影响较大，仿真过程简化了一些复杂结构，使流阻减小。

图3 设计流量特性曲线和仿真流量特性曲线

    4 结论

    （1）套筒式调节阀结构的特殊设计，使得阀芯不平衡力小，稳定性好，不易震荡。在阀口两侧压力固定的情况下，得出套筒式调节阀阀口近似计算式，得到阀口的过流面积。

    （2）在实际工况下，调节阀阀口两端的压力会随着开度的变化而改变，即等百分比的固有流量特性在实际工况下会发生畸变，往往会畸变成线性。因此，等百分比固有流量特性的好坏直接影响着调节阀的实际使用性能。

    （3）通过CFD技术，仿真得到的调节阀流量特性曲线与计算的特性曲线非常接近，验证了计算的准确性，缩短了调节阀的设计周期，提高了调节阀的调节性能。