一種迷宮式調(diào)節(jié)閥的研制

王虎斌 孟非然

（1.西安航天遠征流體控制股份有限公司；2.航天推進技術(shù)研究院）

迷宮式調(diào)節(jié)閥作為目前降壓性能最強的高壓降調(diào)節(jié)閥， 廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)的高壓差、潔凈流體介質(zhì)場合。 迷宮式閥籠是降壓結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，現(xiàn)有迷宮式調(diào)節(jié)閥盤片流道的加工多采用電火花或電腐蝕工藝，效率低、成本高，流體流經(jīng)盤片平面的若干直角轉(zhuǎn)彎、 碰撞進行能量耗散，但僅為單一平面的介質(zhì)流動其降壓效果不明顯，會產(chǎn)生汽蝕， 而汽蝕會嚴重破壞閥的節(jié)流元件，容易產(chǎn)生噪聲和振動。 為此，筆者設(shè)計了一種降壓性能強、成型簡單且成本低的盤片結(jié)構(gòu)，并借助CFD數(shù)值模擬計算迷宮式盤片流道內(nèi)介質(zhì)流動特性，得到閥內(nèi)流場的可視化結(jié)果。 通過研究介質(zhì)在迷宮式調(diào)節(jié)閥降壓盤片中的流動、壓力場和速度場分布及其流量特性， 為結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，并通過對比驗證，為實際生產(chǎn)制造提供依據(jù)。

1 主要技術(shù)指標和總體結(jié)構(gòu)

新型迷宮式調(diào)節(jié)閥的主要技術(shù)指標如下：

公稱通徑 DN200 mm

公稱壓力 PN10 MPa

工作壓差 7 MPa

工作溫度 -10～50 ℃

密封性 IEC 60534-Ⅴ

固有流量特性 線性

額定流量系數(shù) 110

1.1 總體設(shè)計方案

如圖1所示，迷宮式調(diào)節(jié)閥由主閥、支架和執(zhí)行器3部分組成。 執(zhí)行器輸出桿帶動閥芯閥桿組件豎直運動，通過閥芯與閥籠間流通面積的改變來調(diào)節(jié)管路壓力和流量［1］。 閥門流量特性可以根據(jù)閥籠上窗口、 小孔的布局分布實現(xiàn)等百分比、線性等流量調(diào)節(jié)特性。 根據(jù)介質(zhì)和現(xiàn)場使用工況，確定降壓結(jié)構(gòu)型式。

圖1 迷宮式調(diào)節(jié)閥總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 盤片結(jié)構(gòu)方案及其工作原理

筆者設(shè)計的迷宮式盤片如圖2所示。 介質(zhì)進入盤片內(nèi)部時，流經(jīng)若干級拐彎流道，沿著徑向和軸向經(jīng)過若干次的碰撞轉(zhuǎn)折， 使介質(zhì)能量被有效耗散，從而實現(xiàn)逐級降壓的目的［1，2］。 圖2a、b為兩種類型的盤片流道（an為第n級流道寬度，bn為第n級流道徑向?qū)挾龋?每一個盤片中有若干經(jīng)鉆銑機械加工而成的通孔槽。 方案一盤片流道由若干組“工字形”、“丁字形”通孔槽交替排列組成，方案二盤片由若干組“L形”通孔槽交替排列組成，構(gòu)成“軸向-徑向”交替轉(zhuǎn)換的盤片流道。

圖2 迷宮式盤片結(jié)構(gòu)

1.2.1 盤片流道的設(shè)計

參考文獻［3］，對于不可壓縮流體，盤片流道流通截面積保持不變會引起介質(zhì)的壓縮。 為了降低流道出口介質(zhì)流速并保證不發(fā)生汽蝕，盤片流道的設(shè)計應(yīng)滿足以下條件：

其中，an為第n級流道寬度；an-1為第n-1級流道寬度。

1.2.2 盤片流道的成型與裝配

傳統(tǒng)迷宮式盤片流道為單一平面內(nèi)沿著徑向布局的流道，筆者設(shè)計的迷宮式盤片流道為徑向流道+軸向流道的組合式流道。 采用簡單的鉆銑機械加工即可成型，成本較低。

兩個相同的盤片按照一定角度錯開分布組成一個盤片單元，盤片單元間用隔板隔開，若干組盤片單元依次疊合組成完整的盤片組件。 利用防轉(zhuǎn)銷將盤片組件、 上支板和下支板軸向固定，組成完整的閥籠。

2 流場計算

2.1 實體建模

利用實體建模軟件建立筆者設(shè)計的迷宮式調(diào)節(jié)閥的流道模型。 入口段管道與出口段管道部分按GB/T 17213.9—2005《工業(yè)過程控制閥 第2-3部分：流通性能 試驗程序》進行延長，入口段延長公稱直徑的2倍、出口段延長公稱直徑的6倍。

2.2 仿真分析

為了測試閥門的流通性能和抗汽蝕性能，用常溫水作介質(zhì)，設(shè)置閥前壓力7.0 MPa、閥后壓力0.1 MPa，計算閥門開度10%～100%、間隔10%，共10個開度下的流量，并對閥內(nèi)壓力場、速度場的分布進行研究［3～9］，對比盤片方案一、二流道的抗汽蝕性能。

仿真分析結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 盤片方案一流場計算結(jié)果

圖4 盤片方案二流場計算結(jié)果

2.3 計算結(jié)果分析

經(jīng)對比，同等規(guī)格盤片組件，方案二具有更好的降壓性能和抗汽蝕性能。 針對大壓降工況（7 MPa及以上），盤片方案二降壓級數(shù)更多、降壓效果更理想。 采用方案二計算的閥門流通性能見表1。

表1 盤片方案二CFD模擬計算結(jié)果

式中 Q——體積流量，m3/h。

3 試驗驗證

對方案二迷宮盤片進行加工，整閥及流量測量試驗裝置如圖5所示， 標準試驗段如圖6所示，具體要求按GB/T 17213.9—2005第5章。

圖5 整閥及流量測量試驗裝置

圖6 標準試驗段

3.1 流量系數(shù)試驗

調(diào)節(jié)閥開度由10%增加到100%、 間隔10%，再按回程試驗。 在每個行程下， 在保證p1的基礎(chǔ)上，測量3組壓差下的流量。

按下式計算流量系數(shù)CV：

每個行程對應(yīng)3組壓差的3個流量系數(shù)中最大值與最小值之差不應(yīng)大于最小值的4%，若大于4%應(yīng)重新試驗。 試驗所測數(shù)值見表2。

表2 固有流量特性試驗結(jié)果

對測試的試驗數(shù)據(jù)進行擬合， 結(jié)果如圖7所示。 可以看出，迷宮式調(diào)節(jié)閥的固有流量特性都包容在固有值上下偏差范圍內(nèi)，固有流量特性與線性流量特性比較接近，可以認為是線性流量特性。 通過對比仿真模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果可知，隨著閥門開度的增大，計算偏差越大，但相對偏差都在10%左右。

圖7 固有流量特性曲線

3.2 抗汽蝕試驗

在迷宮式調(diào)節(jié)閥開度分別為10%和50%時，對其抗汽蝕特性進行試驗［10～14］。 在相同開度和入口壓力下， 將壓差降低到第1次試驗確定壓差的90%，進行第2次試驗。如果第2次試驗的流量與第1次試驗的流量相差不超過2%，則將第1次試驗測得的流量作為最大體積流量Qmax， 其壓力恢復(fù)系數(shù)FL的計算式為：

式中 FF——水的臨界壓力比系數(shù)，取0.946；

pv——入口溫度下水的飽和蒸汽壓，取55 kPa；

Δp——閥門出入口壓差，kPa。

用FL表示閥門的抗汽蝕特性，F(xiàn)L越大則其抗汽蝕性能越好。 試驗結(jié)果見表3。

表3 抗汽蝕特性試驗結(jié)果

經(jīng)過測試， 在兩種試驗工況下，F(xiàn)L的值都是0.971，說明迷宮式降壓調(diào)節(jié)閥具有較高的抗汽蝕性能。

4 結(jié)束語

對迷宮式調(diào)節(jié)閥降壓盤片流道的設(shè)計方法、成型方法及安裝組成等進行了研究。 對迷宮式調(diào)節(jié)閥流道進行仿真模擬， 分析了流場壓力和速度分布，研究了兩種方案布局流道的抗汽蝕特性。 計算不同閥位開度下的流量系數(shù)， 得到迷宮式調(diào)節(jié)閥的流量特性為線性特性的結(jié)論，符合設(shè)計目標。

試驗結(jié)果與CFD數(shù)值模擬結(jié)果之間的相對誤差均在10%左右， 證明了數(shù)值模擬方法的適用性和正確性； 抗汽蝕試驗結(jié)果證實了閥門的抗汽蝕性能滿足要求。

基于方案二設(shè)計的迷宮式調(diào)節(jié)閥已應(yīng)用于流量調(diào)節(jié)試驗系統(tǒng)， 使用情況良好。 新型迷宮式盤片結(jié)構(gòu)具有較好降壓性能，具有抗汽蝕性能強、成型安裝簡單和生產(chǎn)成本低的特點，可推廣使用。