直流式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流體場分析

高蕾娜， 王釧舟， 張 寒， 張 偉

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

直流式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流體場分析

高蕾娜， 王釧舟， 張 寒， 張 偉

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

直流式截止閥的流道與流體運(yùn)動(dòng)方向成一定角度，對流體流向的破壞程度較小，相應(yīng)的壓力損失比起一般的截止閥也更小.在分析直流式截止閥工作原理的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，并利用SolidWorks完成三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真，并提取流道結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ANSYS Fluent與CFX中對其進(jìn)行流體場分析，觀察其壓力分布、速度分布及流體軌跡，得出直流式截止閥在不同開度下腔內(nèi)流體狀態(tài).與直通式截止閥相比，直流式截止閥具有更小的壓力損失.

直流式截止閥；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；流體場；Fluent；CFX

0 引 言

閥門作為壓力管道元件，是一類改變管路斷面介質(zhì)流動(dòng)方向，控制輸送介質(zhì)流量、壓力、溫度的裝置.截止閥是一種強(qiáng)制密封式閥門，即在閥門關(guān)閉的時(shí)候，需對閥瓣施加壓力來保證密封面不發(fā)生泄漏.由于截止閥開閉過程中密封面之間摩擦力小，耐用性較好，開啟高度不大，且制造容易，維修方便，適用于中低壓及高壓等特點(diǎn)，使用十分廣泛.目前，一些學(xué)者對截止閥的結(jié)構(gòu)及流體方面進(jìn)行了研究，并取得了大量的成果[1-6].此外，根據(jù)通道方向，截止閥主要有直通式、直流式、角式和柱塞式.直通式截止閥的流道比較曲折，介質(zhì)在其中流動(dòng)時(shí)會(huì)有速度矢量的突變，在造成壓力集中的同時(shí)也伴隨著動(dòng)能的損失.對此，本研究從整體結(jié)構(gòu)、配合精度、表面粗糙度、力學(xué)性能、許用應(yīng)力、材料選擇等方面對直流式截止閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，對直流式截止閥的流道進(jìn)行單獨(dú)提取，再利用ANSYS中的FLUENT、CFX對介質(zhì)的壓力分布、速度分布、流線狀態(tài)進(jìn)行分析，并與直通式截止閥的流體運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了比較.

1 直流式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常，在截止閥工作時(shí)，閥中介質(zhì)一般只能單方向流動(dòng).為保證閥門的密封性能，當(dāng)公稱壓力≤16 MPa時(shí)，采用順流形式，即介質(zhì)從閥瓣下方流入、上方流出；當(dāng)公稱壓力≥20 MPa時(shí)，采用逆流形式，即介質(zhì)從閥瓣上方流入、下方流出，與直通式截止閥不同，直流式截止閥的流道與流體運(yùn)動(dòng)方向成一定角度的夾角(一般為45 °～60 °)，這種設(shè)計(jì)使得介質(zhì)在流道中的動(dòng)能損失更小，從而起到優(yōu)化效果.

本研究的閥門設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)如下：公稱壓力為PN16，公稱通徑為DN50，介質(zhì)工作溫度為常溫(25 ℃)，適用于非易燃易爆、無腐蝕性、無毒的液態(tài)介質(zhì)，結(jié)構(gòu)長度為275 mm，連接方式為法蘭連接.逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，通過螺紋副帶動(dòng)閥桿使閥瓣與閥座的密封面分離，直流式截止閥處于開啟狀態(tài)；反之順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，回到關(guān)閉狀態(tài).在各零部件材料選擇方面，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，閥體及閥蓋材料為鑄鋼；閥座啟閉件、閥桿選用12Cr13；雙頭螺柱、銷軸、螺母等緊固件選用35號(hào)碳素鋼；墊片和填料選用聚四氟乙烯，最終確定的閥門型號(hào)為J45F-16C.直流式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各零件布局二維圖如圖1所示.

圖1 直流式截止閥結(jié)構(gòu)示意圖

目前，截止閥大多采用接觸型密封，這種密封方式具有依靠兩結(jié)合面的緊密貼合來形成阻止或限制介質(zhì)通過的能力.

本研究的閥體和閥蓋之間的密封面通過聚四氟乙烯墊片來填充，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算主要是密封面上的比壓值計(jì)算，計(jì)算公式為，

通過計(jì)算，閥蓋與閥體、閥座密封墊片的比壓值小于許用值[q].

填料裝置包括填料、填料壓板、填料壓套、活節(jié)螺栓、銷軸等零件.填料壓板及填料壓套的強(qiáng)度校核計(jì)算兩個(gè)端面的彎曲應(yīng)力，計(jì)算公式為，

經(jīng)校核，兩端面彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力值[σW].活節(jié)螺栓及銷軸校核了拉應(yīng)力及剪切應(yīng)力.

閥體最小壁厚計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用中低壓閥門薄壁計(jì)算公式，

據(jù)此，確定閥體壁厚為9mm.

閥蓋設(shè)計(jì)為平板型法蘭聯(lián)接，壁厚計(jì)算公式為，

據(jù)此，閥蓋壁厚取值18mm.

此外，在公稱尺寸較小的閥門上，閥蓋支架和閥蓋通常是一體的，校核驗(yàn)證支架4個(gè)截面的合應(yīng)力小于許用值.閥桿的強(qiáng)度驗(yàn)算主要包括最大軸向力、最大轉(zhuǎn)矩及穩(wěn)定性，由于篇幅所限，不再贅述.閥體緊固件最終選取雙頭螺柱M18×66，閥桿螺母選用Tr20×4B型.根據(jù)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)尺寸，制造出閥門后還要通過殼體、上密封等實(shí)驗(yàn)后才能投入使用.

為更直觀了解直流式截止閥的結(jié)構(gòu)形式與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本研究對直流式截止閥中的閥體、閥蓋、手輪、閥桿、壓板、壓套、閥桿螺母、上密封座、閥瓣、閥瓣蓋、對開圓環(huán)和密封緊固件進(jìn)行了三維建模，并按設(shè)計(jì)要求對各個(gè)零部件進(jìn)行裝配，構(gòu)成一個(gè)完整的閥體結(jié)構(gòu)(見圖2).同時(shí)，在SolidWorksMotion[8]運(yùn)動(dòng)算例中對直流式截止閥裝配體進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真(見圖3)，以模擬直流截止閥的啟閉過程.

2 直流式截止閥流體場分析

2.1 流體場仿真模型設(shè)置

對直流式截止閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模后，便可直觀觀測到截止閥體腔內(nèi)流道結(jié)構(gòu).參考裝配體剖視圖，分別建立閥瓣開度在公稱直徑10%、20%、30%、45%時(shí)流道的三維模型如圖4所示.

圖2 直流截止閥三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 SolidWorks Motion中的運(yùn)動(dòng)仿真示意圖

圖4 不同開度下的流道剖視圖

直流式截止閥流體場分析在Fluent和CFX[9-10]中完成.直流式截止閥在Fluent流體分析軟件中的流體場分析主要包括流道模型導(dǎo)入、模型網(wǎng)格處理、求解設(shè)置和后處理.其中，求解設(shè)置依次為總體模型求解選項(xiàng)、操作條件選項(xiàng)、物理模型設(shè)定選項(xiàng)、材料性質(zhì)選項(xiàng)、邊界條件選項(xiàng)、控制參數(shù)選項(xiàng)、計(jì)算運(yùn)行選項(xiàng)；后處理將流體場參數(shù)分析以等值面圖或矢量圖形式顯示出來.圖5顯示壓力等值面分布圖、圖6顯示速度矢量圖.直流式截止閥在CFX中的流體分析步驟與Fluent類似，經(jīng)過Geometry、Mesh、Setup、Solution設(shè)置后，得到流線矢量求解結(jié)果.圖7是直流式截止閥經(jīng)過500次迭代后的殘差曲線.

圖5 Fluent中的壓力等值面分布圖

圖6 Fluent中的速度矢量圖

圖7 CFX中求解完成后的殘差曲線

2.2 流體場分析

1)將開度分別處于10%、20%、30%、45%時(shí)的壓力分布圖進(jìn)行比較(見圖8)，可以看出，截止閥工作時(shí)不論開度如何，壓力主要作用于介質(zhì)入口.介質(zhì)通過閥座之前，會(huì)經(jīng)過一個(gè)拐角，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致拐角左側(cè)壓力最大，而右側(cè)的壓力很小.當(dāng)介質(zhì)通過閥座之后，壓力又會(huì)在閥瓣右側(cè)集結(jié).這種壓力集結(jié)造成了介質(zhì)對閥瓣的沖蝕.但通過比較4種狀態(tài)可以看出，閥瓣開度越大，閥瓣上壓力的結(jié)集范圍越小.綜上所述，增加閥瓣開啟高度會(huì)減小介質(zhì)對閥瓣的沖蝕.將開度調(diào)整到145%，通過Fluent得到壓力圖如圖9所示.此時(shí)閥瓣上的壓力集結(jié)消失，但在上密封座附近出現(xiàn)了新的壓力集結(jié)而可能帶來泄露方面的問題.因此，過度加大閥瓣開啟高度，來減小介質(zhì)對閥瓣的沖蝕是不可取的，通常規(guī)定閥瓣的最大開啟高度為公稱通徑的45%.

2)將開度分別處于10%、 20%、 30%、 45%時(shí)，CFX中速度流線圖進(jìn)行比較(見圖10)， 可以看出， 隨著閥瓣開啟高度的增大，介質(zhì)流動(dòng)方式由通過閥瓣上方回流回主流道轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^閥瓣下方進(jìn)入主流道.同時(shí)主流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)也趨于穩(wěn)定.

圖8 不同開度下的壓力分布圖

圖9 145%開度下的壓力圖

圖10 不同開度下的速度流線圖

3)將開度分別處于10%、20%、30%、45%時(shí)的渦流動(dòng)能分布圖進(jìn)行比較(見圖11)，可以看出，隨著閥瓣開啟高度的增大，閥瓣的兩翼將會(huì)產(chǎn)生渦流.

4)將開度處于45%時(shí)的同等公稱直徑DN50的直流式截止閥與直通式截止閥流體場壓力分布圖進(jìn)行比較(見圖12與圖8(4))，可以看出，直流式截止閥相比于直通式截止閥對流體壓力平均值更小，對閥壁的破壞程度更小.

圖11 不同開度下的渦流動(dòng)能圖

圖12 45%開度下直通式截止閥壓力圖

3 結(jié) 論

直流式截止閥中介質(zhì)的進(jìn)出口在同一水平線上，但介質(zhì)通過閥座口時(shí)流動(dòng)方向與水平線成一定角度，這樣使得介質(zhì)流動(dòng)方向的改變相對平穩(wěn).本研究對直流式截止閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核，利用SolideWorks進(jìn)行三維建模與動(dòng)態(tài)仿真.提取閥門在不同開度下的流道三維模型，導(dǎo)入至Fluent與CFX中，利用湍流模型對流體場進(jìn)行分析，并取得了一些結(jié)果.后續(xù)研究工作主要包括：減小閥瓣沖蝕方法，流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及更多介質(zhì)條件下的流體場分析等.

[1]明友，陳鳳官，王勤，等.基于CFD 技術(shù)的高壓截止閥內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析[J].閥門，2013，43(4)：28-30.

[2]巴鵬，閆小樓，歐周華，等.基于CFD 技術(shù)的截止閥阻力特性分析[J].機(jī)床與液壓，2013，41(1)：153-156.

[3]宋治偉，崔寶玲，尚照暉，等.截止閥啟閉過程內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)特性[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2012，33(6)：957-960.

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[5]Qian J Y,Wei L,Jin Z J.CFDanalysisonthedynamicflowcharacteristicsofthepilot-controlglobevalve[J].Energ Convers Manag,2014,11(87):220-226.

[6]Chern M J,Hsu P H,Cheng Y J，et al.NumericalStudyonCavitationOccurrenceinGlobeValve[J].J Energ Eng,2013,139(1)：25-34.

Structure Design and Fluid Field Analysis of Oblique Stop Valve

GAOLeina,WANGChuanzhou,ZHANGHan,ZHANGWei

(School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

The flow channel of the oblique stop valve has a certain angle to the movement direction of the fluid,so that the damage to the fluid flow direction is smaller,and the corresponding pressure loss is also smaller than that of the normal stop valve.In this paper,based on the working principle of the oblique stop valve,the structure of the oblique stop valve has been designed and the strength checking has been finished.A 3-D model and the motion simulation of the valve have been established by using SolidWorks.The flow channel structure has been introduced into ANSYS Fluent and CFX to analyze the fluid field,and also to observe the pressure distribution,velocity distribution and fluid trajectory.Finally,the paper draws the conclusion that compared with the general globe valve,the pressure loss of the oblique stop valve is smaller under different fluid states in different open cavities.

oblique stop valve;structure design;fluid field;Fluent;CFX

1004-5422(2016)04-0396-04

2016-09-21.

四川省教育廳自然科學(xué)基金(14ZB0373)資助項(xiàng)目.

高蕾娜(1978 — )， 女， 博士， 講師， 從事機(jī)電一體化技術(shù)研究.

TH134

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