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摘 要：提出了一种电控线性转板式流量调节阀（阀门通径DN=50mm），阀芯开口采用专门设计的形状以实现开度与流量的线性关系，驱动系统采用减速步进电机以保证阀门开度的精度和重复性。采用面积割补法推导得出阀芯曲线方程，设计了特殊的平面旋转密封结构，并采用数值模拟和实验验证相结合的方法进行了验证。
关键字：流量阀 结构设计 实验
引言
气体流量调节阀用于调节通过管道的气体流量，在天然气等气动领域广泛使用。在低压工况及中小口径（DN≤300mm）应用中，现有的流量调节阀多采用传统阀门，然后配套气动阀门定位器等控制机构实现流量的自动化调节。以最常用球阀和蝶阀为例，具有结构紧凑、质量轻、密封性好等优点，蝶阀更是特别适用于大口径大流量的流体控制，技术成熟、价格适中，但阀门自身结构决定了开度与流量的非线性关系，特别是小流量区间线性度差；另一方面，阀门执行机构中最常用的气动阀门定位器采用调节控制腔压力的方式来改变阀门开度，调节速度缓慢，气体自身的弹性决定了控制精度不高，此外阀芯衬胶等密封件摩擦力较大，也制约了定位器的调节精度，特别是往返的重复性。为满足气体流量计量行业对于小流量调节精确性及重复性的要求，本文结合传统闸阀与旋转阀的优势，提出一种平面式转板阀，实现开度与流量的完全线性对应，并结合步进电机在低速控制时输出力矩大、定位精度高等优点，设计减速步进电机驱动的控制机构。在理论完成阀芯开度曲线及阀体结构的基础上，结合CFD流场仿真技术对气体流动过程进行分析，并搭建实验装置验证转板阀的性能。
1 转板阀结构及阀芯曲线设计
1.1 结构设计
结合实验条件，选择阀门通径DN=50mm进行电控线性转板阀的结构设计和验证性研究。转板阀总体结构如图1所示，主要由带有线性开口的阀芯、支撑及密封结构、阀体、外接管道以及减速电机构成的驱动模块组成。其中驱动模块主要包括步进电机，减速机，转轴等传动零件。阀门所有静态密封采用O型圈密封，阀芯的旋转动密封采用聚四氟乙烯加工的密封环为密封元件，配以周向均布的多个弹簧压紧密封环，既能实现阀门在初始位置的完全密封，也使得在密封环出现磨损时能在弹簧作用下保证密封效果。
阀门工作时，由控制器接收开度指令，换算成阀芯开度及电机脉冲数驱动步进电机使阀芯发生偏转，改变阀芯的过流面积，从而实现阀门的流量调节。
阀芯作为电控线性流量旋转阀的核心元件，由实心圆盘切割出随角度渐变的开口，如图2所示。图中A~E中阴影部分的面积分别是阀芯转过不同角度时的过流面积。从位置A到E随着阀芯转过不同的角度，阀门的流通面积也随之变化，从而实现被控流体的流量调节。
1.2 阀芯曲线设计
根据热力学和气体动力学基础方程，气体通过薄板节流孔口时，它的质量流量方程可以表示为
![]() （1）
式中 Qm——通过阀门的质量流量
α——空气收缩系数
A——阀门的当量流通面积
p1——阀门上游气体压力
p0——阀门下游气体压力
T0——上游气体热力学温度
R——气体常数k——比热容比，对于空气k=1.4
φ（p1，p0）满足关系
式中 b——阀口的临界背压比，通常取0.5283
从式（1）~（2）可知，当阀门的过流面积A与开度θ满足
![]() （3）
即可实现阀门开度θ与流量的线性对应关系。
在前述总体结构设计中，阀芯开口中心圆设计半径为R=97mm。对于某一特定阀芯开度θ，通过r=25mm的管道的阀芯过流面积即为如图3所示的S。
该角度下对应的开口曲线内外侧交点定义为点A和点B，其极坐标分别为（ρ1，θ）、（ρ2，θ），阀芯有效开度为θ（0~200°），根据式（3），S应满足
![]() （4）
由于直接求解曲线方程无法获得解析解，采用图4所示的面积割补法，如图4a所示分别过A、B点做两条垂直于AB连线的直线，与r=25mm的管道相较得到图中阴影面积S1与S2，如果有S1=S2，阀口过流面积S等价为图4b的阴影面积S3。设AB中点记作N，令AN=l，根据弓形阀口面积计算公式，面积S'与阀门开度θ呈线性关系，可推出阴影面积S'为
![]() （4）
由于S=S3，根据式（3）和式（4），得到
![]() （5）
根据A、B点的极坐标，有
![]() （6）
根据式（5）、（6），得到A、B点极坐标表达式为
![]() （7）
最后得到阀芯开口曲线如图2所示，不同角度下过流面积与阀芯开度的关系曲线如图5所示。
根据计算式
![]() （8）
得到开度0~200°内，面积与开度线性相关系数r=0.9991，近似严格线性关系。
2 数值计算
2.1 计算模型及边界条件
由于不同开度时，阀芯过流面为不规则形状，并非标准的小孔，实际过流流量是否满足线性关系有待验证。为此本文采用CFD计算进行初步验证。以50%开度为例，其三维物理模型简化后如图6a所示，取阀芯前置管段长度6D，后置管段长度10D作为流场计算流域，以尽量减少上下游的流动干扰。将物理模型导入Gambit后，划分网格如6b所示。阀芯前后1D范围内流场变化最剧烈，对该区域网格进行局部加密处理。采用六面体网格，不同开度下网格数为12万左右。
在Fluent中导入仿真网格，以理想气体做为介质，边界条件设置为压力进口和压力出口，工作压差Δp为5500Pa，采用RNGk-e三维湍流模型和SIMPLE算法。在定常条件下，对流道模型中的流动进行数值模拟求解，收敛条件为速度和湍流的残差值均小于0.0001。
2.2 数值模拟
对初始模型从0~95%共18种相对开度下的阀内流动状况进行数值模拟。图7、图8所示为阀门相对开度分别为20%、50%和70%和95%时各个截面的速度云图，可以看出其速度分布基本沿中心线对称，开度越大对称性越好。图9、图10为对应的压力云图，对于小开度而言阀前压力显著高于阀后压力，由于阀芯为偏心结构，长期使用在小开度下阀芯两侧压差有可能导致结构变形，因此应尽量避免。
图7 不同开度下x截面速度云图
图8 不同开度下的yz截面速度云图
图9 不同开度下x截面压力云图
图10 不同开度下的yz截面压力云图
阀门出口气体流量与开度的关系如图11所示，计算得出拟合曲线的线性相关系数r为0.9968，与阀芯面积的线性相关系数基本相等，可知阀口流量主要受过流面积影响，过流面形状是否规则影响不大。
3 实验
3.1 实验装置及流程
在理论计算和数值仿真的基础上，本文对该转板阀进行了实验研究，以验证其线性特性及重复性等性能。实验装置为标准表法气体流量标准装置，其原理示意如图12所示，装置和阀门实物如图13所示。该装置可设定流量检定范围0.5~2000m3/h，流量重复性优于0.1%，流量数据通过装置中的高精度罗茨流量计获得，被测阀前后分别安装压力传感器。
图12 实验装置原理示意图
1.压力变送器2.电-机械转化模块3.差压变送器
4.线性调节阀5.温度变送器6.汇管
7.标准流量计8.变频器9.风机
（a）实验装置 （b）阀门实物
实验步骤：首先在流量标准装置上设置一定的风机转速，通过PLC控制步进电机调节阀门开度，待流量稳定后，通过上位机软件读取通过转板阀的流量Q以及两端压差Δp等实验数据；然后更改开度继续下一组实验。
3.2 线性度分析
如图14所示几组不同风机转速下，得到的阀芯开度与流量关系曲线，其变化趋势相同，但在风机转速较高时，由于流速增大装置自身流阻增加，流量趋于饱和。
图14 阀门开度与流量关系曲线
风机转速较低（n=870r/min）时的流量开度如图15所示，计算得到线性相关系数r为0.9983，与设计及仿真结果吻合度很高，进一步验证了该转板阀设计的有效性。
图15 风机转速n=870r/min时流量-开度关系曲线
对于某一开度的重复性实验，采用测完一组后复位至初始位置，应风然后重新设置开度反复测试。表1所示重复性实验数据对机转速1945r/min。
根据重复性计算公式
![]() （9）
式中 S（y）——重复性
![]() ——n次检测结果的平均值
n——检测次数，一般不小于6
计算可知表1数据对应重复率均不超过0.26%，说明对于该阀采用减速步进电机驱动机构能实现较好的重复定位。
4 结论
（1）仿真及实验结果均表明该转板阀具有较好的线性度，线性相关系数大于0.99，可以实现流量由0~95%的线性调节；优于本实验平台使用的智能调节阀（其重复性为0.3%），符合技术指标。
（2）不同角度下流量调节重复性优于0.26%，说明采用步进电机作为其驱动机构相对于传统的阀门定位器有明显优势。
来源：网络转载
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发表于 2016-11-3 01:46:15
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