调节型球阀流量特性的数值分析与实验研究

　　引言

　　在流体流动过程中,调节阀是整个流动控制的重要部件,可实现特殊的流量条件特性。现有的大多数直行程调节阀存在普遍的问题是结构复杂、生产成本高、设备维修费用高、体积庞大以及安装不方便等;相比较而言,角行程调节阀具有相对体积小、可调比大、流通能力大等优点,近年来正逐渐成为控制阀的研究热点。

　　本文采用工程经验公式与CFD数值分析相结合的方法,根据流量特性公式和球阀配流盘通流面积改变方式设计了具有不同流量特性的调节型球阀阀芯结构,并就其中一种流量特性的阀芯结构进行了CFD数值分析和实验研究。计算和实验对比表明,三维CFD数值分析方法应用于阀门模型的新产品开发和优化设计和的方法十分可行,本文设计的调节球阀具有十分理想的流量调节特性。

　　1配流盘的型线构建与球阀的三维几何造型

　　在实际设计中考虑制造成本及阀的互换性等方面因素,并为实现同一个球阀具有不同流量调节特性,采用了角行程球阀前加平面配流孔的结构形式,见图1。整个调节球阀由阀座、阀杆、配流孔、密封挡板和球阀体组成。通流面积的改变是由旋转的球阀体和静止的配流孔实现。而具有不同结构配流孔的配流盘则决定了调节型球阀的流量特性。

　　对于不可压缩流体,节流口为薄壁小孔(即孔径远大于孔长四倍的通流孔)时,流量控制方程简化为:

　　式中:

　　A—孔板通流面积;

　　ΔΡ—孔板前后压差;

　　p—流体密度;

　　C—孔板的流出系数。

　　由管路最小流量和最小通径估算球阀阀芯内部流场Re≥5000,流动为湍流状态。根据流出系数的大小和雷诺数的关系,可认为流出系数C近似J恒定。

　　具有理想等百分比调节特性的计算公式可简化得到通流面积和阀门开度之间的近似关系式:

　　其中:

　　R—可调比(可控比)

　　x—阀门开度

　　根据固定可调比R值可以得出不同开度下通流面积的大小,继而计算出等百分比球阀配流孔所需的开口形状以及相关参数。根据此思想设计的等百分比球阀的配流孔型线投影面积的形状见图2。

　　当阀门开度由全开90^oC连续变化为全关0^o时,阀门通流面积由最大逐渐减小为零。阀门由90^o全开时减小两个单位开度,当量的通流面积减小了△a;而当阀门由全关少附近增大两个单位开度时,通流面积仅仅增大了△b。阀门不同位置相同开度变化对应的开口面积变化不同,使得球阀呈现等百分比的调节特性。