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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
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