电子人社区网讯：
摘 要：介绍了应用CFX软件对油煤浆调节阀流道进行数值模拟仿真和扭矩计算，并将计算的扭矩数值拟合成关于压差和开度函数关系，简化了调节阀扭矩的计算方法。
关键字：调节阀 CFX 扭矩 数值模拟
1 概述
阀门扭矩是阀门开启或关闭过程中由驱动装置施加的作用力或力矩，是阀门内部在介质压力作用下所产生的一项综合技术指标。由于缺乏阀门工作时扭矩的实际数据，使得阀门执行机构在选型配套方面经常出现选择型号不匹配的问题，如扭矩选择过剩造成执行机构使用浪费，或选择的执行机构扭矩不足无法正常驱动阀门。本文以高压油煤浆调节阀为例，介绍一种简便的调节阀扭矩计算方法。
2 建模
调节阀用于油煤浆泵的最小流量控制。阀门公称通径DN80，输送介质为油煤浆，流量特性为近似等百分比，执行机构采用双作用气缸活塞。利用SolidWorks软件对调节阀内部零部进行三维建模（图1）。
1.阀座2.阀杆3.填料4.阀盖5.阀瓣6.阀体
图1 调节阀
3 扭矩计算
调节阀的扭矩由机构内零部件的摩擦和介质压力的作用产生。通过对调节阀的机构分析，阀内主要产生扭矩的部件有两部分，一个是阀瓣与阀座（图2）之间的摩擦力矩，另一个是阀杆与填料之间产生的摩擦扭矩（图3）。
图2 阀瓣与阀座
1.填料2.填料压盖3.阀杆
图3 阀杆与填料
调节阀扭矩M为
M=MT+MF （1）
![]() （2）
![]() （3）
![]() （4）
式中 MF———阀瓣与阀座之间扭矩N·m
F———弹簧预紧力，N
S1———介质与阀瓣之间的作用面积，mm2
S———阀瓣与阀座之间的接触面积，mm2
P———介质内部的压力，MPa
r1———阀瓣扇形缺口的内部直径，mm
r2———阀瓣扇形缺口的外部直径，mm
μ———阀瓣与阀座之间的摩擦系数（取μ=0.15）
MT———阀杆与填料之间扭矩，N·m
QT———阀杆与填料之间摩擦力，N
μT———填料与阀杆的摩擦系数（μT=0.15）
hT———填料的总高度，mm
dF———填料作用在阀杆上的直径，mm
4 扭矩分析
研究介质压力对调节阀的扭矩作用，需要对调节阀的流道进行数值模拟分析。根据调节阀的三维模型，在Solidworks将ARC调节阀流道的三维模型分离出来，并采用ICEMCFD进行网格划分，流道采用四面体网格划分，设定网格的尺寸为0.004，由于四面体网格不能很好的描述圆弧的边缘特征，为了能用尽量少的网格特征圆弧，在生成四面体网格后，再使用三棱柱网格细化圆弧边缘，设定高度比为1.3，层数为4，划分后总共网格数789848。针对调节阀不同开度分别建模。采用CFD流体分析软件对不同开度时的流道进行数值模拟仿真，研究内部压力场的分布情况。试验介质为油煤浆，其中固体煤含量57%，油煤含量53%，工作密度为1090kg/m3，动力粘度v=587mPa·s，温度25℃。试验设定了低中高三种不同压差，分别为5MPa、23.35MPa和40MPa（表1），这三种压力工况是油煤浆泵在正常使用、启动过程中出现的三个工况。
表1 调节阀仿真试验压力设定
以5MPa压差时的模拟仿真结果进行分析（图4）。调节阀进、出口压力较为均匀，压力在流道内成阶梯变化，从入口开始逐渐减小。根据式（1），调节阀的扭矩主要由介质压力P产生。减小调节阀扭矩可以从降低阀瓣处的压力考虑。不同开度时的调节阀进行相同的数值模拟仿真，并将不同压差和开度时阀瓣压力进行统计（表2）。
图4 90°开度的流道压力云图
表2 不同压差和开度下阀瓣压力 MPa
根据表2统计的不同压差和开度下调节阀内部阀瓣的压力，运用式（1）计算出不同开度和压差下调节阀的扭矩（表3）。
表3 不同压差和开度下调节阀扭矩N·m
分析表3，在同一开度，调节阀的扭矩随着压差的增加而增加，压差越大，调节阀扭矩越大。在同一压差下调节阀扭矩随着开度的增大出现先增大后减小的趋势，在45°开度时调节阀扭矩最大。
利用回归分析法对调节阀的扭矩进行拟合函数处理，得到调节阀扭矩与压差和开度的函数关系。
M=（2.3×10-8θ5－4.1×10-6θ4+1.9×10-4θ3－1.9×10-5θ2－0.037θ+56）ΔP （5）
式中 M———调节阀扭矩，N·m
θ———调节阀开度，（°）
ΔP———调节阀前后压差，MPa
根据式（5）可以计算出油煤浆调节阀在任何压差和开度时的扭矩，方便了调节阀执行结构的选型。
5 结语
通过对油煤浆调节阀的数值模拟仿真，得到不同压差和开度时的阀瓣压力和扭矩及其函数关系，为调节阀的扭矩计算提供一种新算法，方便了阀门制造商对调节阀执行机构的选型。
来源：网络转载
转载请注明：电子人社区 | 
发表于 2017-1-13 12:57:36
收藏
分享
赞同
反对
