王?越，張?衡，周?杰，孫?政，徐世昌

轉(zhuǎn)盤式能量回收裝置中滑閥的間隙液膜力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王?越1, 2, 3，張?衡1, 2, 3，周?杰1, 2, 3，孫?政1, 2, 3，徐世昌1, 3

(1. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350；2. 化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津 300350；3. 天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

轉(zhuǎn)盤式能量回收裝置(RERD)采用轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)與滑閥協(xié)調(diào)響應(yīng)的工作模式實(shí)現(xiàn)反滲透海水淡化中濃鹽水壓力能的連續(xù)回收．其中滑閥控制流體流動(dòng)的方向和流量，它主要的性能要求是切換過程的可靠性．但滑閥中閥桿在偏心和傾斜時(shí)與閥套形成的配合間隙不均勻變化會(huì)產(chǎn)生不平衡液壓力，進(jìn)而產(chǎn)生液壓卡緊并影響滑閥切換的響應(yīng)性能．針對(duì)這一問題，構(gòu)建了閥桿與閥套的間隙液膜仿真模型，采用CFD方法模擬探究了間隙液膜的力學(xué)特性，并引入均壓槽和通腔淺槽改善液壓卡緊現(xiàn)象．結(jié)果表明：閥桿偏心時(shí)，間隙液膜形成的每個(gè)壓力差區(qū)段的最大壓力差位于高壓液體側(cè)，其形成的液壓力使閥桿有自動(dòng)對(duì)中的傾向；閥桿傾斜時(shí)，間隙液膜中壓力差區(qū)段的最大壓力差在各區(qū)段的中間位置，其液壓力產(chǎn)生的傾覆力矩會(huì)加劇閥桿的傾斜．滑閥間隙液膜的液壓力和傾覆力矩隨高壓流體壓力、偏斜率的增大而增大．在閥桿上引入均壓槽和通腔淺槽能減小間隙不均勻引起的壓力差和液壓力的范圍，在操作壓力6.0MPa、配合間隙0.015mm和傾斜率1/3的條件下，滑閥所受液壓力和傾覆力矩分別較原結(jié)構(gòu)降低73.4%和70.8%以上．上述結(jié)果對(duì)裝置中滑閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化和提高滑閥響應(yīng)可靠性具有指導(dǎo)作用．

海水淡化；轉(zhuǎn)盤式能量回收裝置；滑閥間隙模型；力學(xué)特性；優(yōu)化設(shè)計(jì)；計(jì)算流體力學(xué)

反滲透海水淡化技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用很大程度上得益于能量回收裝置(ERD)的使用，產(chǎn)水能耗從8.0 kW/m3降至2.5～4.0kW/m3，甚至低于2.0kW/m3[1-4].正位移式能量回收裝置是基于帕斯卡等壓原理將反滲透高壓濃鹽水的余壓能直接傳遞給低壓海水來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗的降低，能量回收效率一般達(dá)到94%以上[5-6]．按結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特征，正位移式能量回收裝置分為閥控式(如DWEER)和轉(zhuǎn)子式(如PX)兩種[7]．而我國(guó)海水淡化工程對(duì)國(guó)外能量回收裝置產(chǎn)品依賴度極高，亟需開發(fā)新型國(guó)產(chǎn)化能量回收裝置以擺脫國(guó)外產(chǎn)品和專利技術(shù)的約束．目前正在研發(fā)的新型轉(zhuǎn)盤式能量回收裝置(RERD)兼具閥控式和轉(zhuǎn)子式裝置的特點(diǎn)，采用上位轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)配流和下位滑閥往復(fù)從動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式，兩部分協(xié)同運(yùn)動(dòng)即滑閥隨轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)有序地響應(yīng)切換，是功能實(shí)現(xiàn)的必要條件[8]．其中滑閥實(shí)質(zhì)為采用間隙配合的往復(fù)滑動(dòng)副，控制流體的流動(dòng)方向和流量，它的主要性能要求是切換過程的可靠性．

液壓系統(tǒng)中，往復(fù)滑動(dòng)副(如滑閥和柱塞等)因閥桿發(fā)生偏斜會(huì)使其配合間隙不均勻，造成間隙液膜中的壓場(chǎng)不均勻而產(chǎn)生不平衡的液壓力，易出現(xiàn)液壓卡緊問題[9]．劉桓龍[10]通過CFD模擬和試驗(yàn)研究分析高壓泵柱塞在特定偏心和傾斜的條件下間隙液膜的力學(xué)特點(diǎn)，并引入雙阻尼靜壓支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)柱塞的自動(dòng)對(duì)中和平衡，防止液壓卡緊，減小啟動(dòng)阻力．劉志強(qiáng)等[11]構(gòu)建了控制系統(tǒng)中滑閥的液壓卡緊力學(xué)模型，結(jié)果表明液壓力與間隙值和偏心率有關(guān)．楊文軍等[12]利用CFD方法比較分析不同形式槽對(duì)液壓缸偏心活塞液壓力的影響，矩形槽降低液壓力的效果最好.

RERD中的滑閥有多個(gè)密封結(jié)構(gòu)，其幾何和壓力結(jié)構(gòu)與上述對(duì)象不同，同時(shí)閥桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)改變滑閥的密封結(jié)構(gòu)．為了研究裝置中滑閥間隙液膜的力學(xué)特性，根據(jù)滑閥的結(jié)構(gòu)和閥桿的位置狀態(tài)構(gòu)建了其配合間隙液膜模型，利用CFD方法對(duì)間隙流場(chǎng)仿真分析，并在閥桿上引入均壓槽和通腔淺槽雙結(jié)構(gòu)改善間隙液膜的液壓力，從而為滑閥狀態(tài)性能判斷和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)．

1?RERD的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，轉(zhuǎn)盤式能量回收裝置主要由轉(zhuǎn)盤、水壓缸和滑閥構(gòu)成．上位轉(zhuǎn)盤是主動(dòng)部件，其上有高壓濃鹽水和泄壓濃鹽水兩個(gè)集液槽，在槽區(qū)存在筋板結(jié)構(gòu)．轉(zhuǎn)盤外周中部開有周向流道與高壓濃鹽水集液槽連通，而其環(huán)形內(nèi)周開有側(cè)向開口與泄壓濃鹽水集液槽連通．中位水壓缸是壓力能交換場(chǎng)所，12個(gè)水壓缸沿周向均勻分布．下位滑閥組為被動(dòng)響應(yīng)結(jié)構(gòu)，由12個(gè)滑閥和平衡盤組成．滑閥由閥套和閥桿構(gòu)成，采用間隙配合，并與水壓缸一一匹配．閥套側(cè)壁開設(shè)兩組直通孔，分別與高壓海水腔和低壓海水腔連通；閥桿中心處開有軸向內(nèi)流道，并在側(cè)壁開設(shè)側(cè)向開口和環(huán)狀流道，閥桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其側(cè)向開口和環(huán)狀流道與閥套的高壓海水腔或低壓海水腔的直通孔連通．

圖1中的紅色和藍(lán)色箭頭線段分別代表高壓水和低壓水的流經(jīng)路徑．高壓濃鹽水通過特別設(shè)計(jì)的進(jìn)口流道沖擊轉(zhuǎn)盤中高壓集液槽的筋板而使轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)．當(dāng)高壓濃鹽水通過轉(zhuǎn)盤上的高壓集液槽與水壓缸連通時(shí)，此時(shí)高壓區(qū)的閥桿運(yùn)動(dòng)到低位，使閥桿流道與閥套上高壓海水直通孔連通，高壓濃鹽水將水壓缸中低壓海水增壓進(jìn)入高壓海水腔，實(shí)現(xiàn)增壓過程；隨著轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，被高壓集液槽覆蓋水壓缸的經(jīng)轉(zhuǎn)盤的密封區(qū)過渡到低壓集液槽配流，在低壓區(qū)時(shí)相應(yīng)閥桿運(yùn)動(dòng)到高位，其流道與閥套低壓海水直通孔連通，低壓海水腔中的低壓海水將水壓缸中低壓濃鹽水排到泄壓濃水集液槽，實(shí)現(xiàn)泄壓過程．充滿低壓海水的水壓缸再次進(jìn)入下一增壓過程，如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)濃鹽水余壓能的連續(xù)回收[8]．

該裝置完全采用自驅(qū)和聯(lián)動(dòng)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式，無外部輔助．在響應(yīng)切換過程中，壓力、平衡盤等擾動(dòng)會(huì)使滑閥中閥桿發(fā)生偏心和傾斜，使與閥套形成的配合間隙不均勻，造成間隙流場(chǎng)產(chǎn)生不平衡液壓力．當(dāng)滑閥間隙液膜產(chǎn)生的液壓力過大而阻滯其運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤與滑閥運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)同步性將受影響，裝置甚至無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)．所以分析滑閥的間隙液膜的力學(xué)特性對(duì)裝置可靠運(yùn)行具有重要的意義．

圖1?RERD結(jié)構(gòu)示意

2?仿真模型構(gòu)建

2.1?偏心和傾斜間隙特征的描述

理想狀態(tài)下，滑閥的閥套和閥體同心，配合間隙值，為均勻的且呈薄壁環(huán)狀柱體．外部擾動(dòng)使閥體偏心或傾斜時(shí)使間隙形狀改變．偏心時(shí)間隙液膜呈偏心環(huán)狀柱體，形成一對(duì)大小間隙，用偏心率(＝/，其中為偏移量)表示偏移程度，如圖2(a)所示.而傾斜可認(rèn)為是各圓截面偏心狀態(tài)在軸向上的積累結(jié)果，整個(gè)配合間隙分成收斂間隙和發(fā)散間隙兩部分，且端部偏心率最大而中間為零，如圖2(b)所示，為方便分析討論，此處用端面處的偏心率量化傾斜率.

圖2?偏心和傾斜間隙液膜結(jié)構(gòu)

2.2?滑閥的位置狀態(tài)

滑閥中閥桿運(yùn)動(dòng)的位置狀態(tài)不同，其間隙液膜結(jié)構(gòu)亦不同．如圖3所示，隨轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)，任何時(shí)刻各有6個(gè)滑閥處于高壓和低壓狀態(tài)，對(duì)稱分布，其中紅色為高壓區(qū)而藍(lán)色為低壓區(qū)．

圖3?滑閥位置

假設(shè)能夠保證閥桿的推動(dòng)力，滑閥正常響應(yīng)，則滑閥和集液槽有著相同的周期，且閥桿在一個(gè)周期內(nèi)與集液槽有對(duì)應(yīng)的進(jìn)程，閥桿位置規(guī)律在理論上符合余弦函數(shù)關(guān)系，即

式中：為閥桿的位移量；f為滑閥分布圓半徑，取值80mm；為平衡盤傾角，取值12.68°；為滑閥初始相位角與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角之和．

根據(jù)上述特點(diǎn)和簡(jiǎn)化分析，選擇對(duì)稱分布的一組滑閥為研究對(duì)象，從最低點(diǎn)到最高點(diǎn)依次編號(hào)高壓區(qū)滑閥1＃、2＃、3＃，低壓區(qū)滑閥4＃、5＃、6＃，從而確定不同位置滑閥中液膜結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)．

2.3?液膜的結(jié)構(gòu)

圖4(a)為滑閥三維結(jié)構(gòu)示意，滑閥關(guān)鍵的幾何尺寸參數(shù)如表1所示．

根據(jù)圖4(a)和表1數(shù)據(jù)，在Solidworks中抽提出對(duì)應(yīng)位置狀態(tài)下的液膜幾何結(jié)構(gòu)，如圖4(b)所示.需要說明的是，液膜結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)位置狀態(tài)確定，此處只是一個(gè)示例．

表1?滑閥主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1?Main structure parameters of slide valves mm

2.4?間隙液膜的仿真

在Solidworks軟件繪制的間隙液膜三維模型基礎(chǔ)上，本文采用網(wǎng)格劃分軟件Pointwise對(duì)液膜模型離散化來構(gòu)建其網(wǎng)格模型，0.010mm、0.015mm和0.020mm單邊配合間隙在液膜厚度上分別劃分4、5和6層網(wǎng)格，液膜周向和軸向上網(wǎng)格劃分尺度分別為0.25mm和0.33mm．用流體計(jì)算軟件STAR CCM＋迭代計(jì)算，采用標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型，壁面函數(shù)為兩層全＋壁面處理．邊界條件設(shè)置為壓力出口類型，以大氣壓為參考?jí)毫?，不考慮主流道內(nèi)的損失對(duì)邊界處壓力的影響．外界壓力為0MPa，低壓壓力為0.2MPa，高壓壓力根據(jù)仿真條件確定．當(dāng)?shù)翚埐顬?0-7以下且穩(wěn)定時(shí)將CFD計(jì)算值作為最終求解結(jié)果．圖5給出滑閥3＃間隙液膜的壓力云圖．

圖5?滑閥3＃間隙液膜的壓力云圖

3?結(jié)果與討論

3.1?間隙液膜的壓力分布

滑閥中的閥桿發(fā)生偏心和傾斜時(shí)會(huì)使其配合間隙不均勻，進(jìn)而影響間隙液膜中的壓力分布．探究其間隙中壓力分布特點(diǎn)可為性能判斷和優(yōu)化提供指導(dǎo)．以前密封段外界端為基準(zhǔn)位置，以滑閥3＃示例，在6.0MPa和間隙值0.015mm條件下仿真．其他滑閥的分析過程類似．

3.1.1?偏心間隙液膜的壓力分布

圖6是滑閥3＃的閥桿偏心率為1/3時(shí)其間隙液膜的大小間隙中心處軸向壓力分布情況．由圖可知，當(dāng)滑閥中的閥桿偏心時(shí)，在高低壓力源間(即-、-和-)的壓差區(qū)段的同一軸向位置橫截面處小間隙的壓力值大于大間隙的值，在高壓源邊緣處(、和)大小間隙壓力差較明顯，出現(xiàn)突變跳躍，且高低壓力源間有效密封長(zhǎng)度越短大小間隙壓力差值越明顯，且分布變化向低壓源處擴(kuò)展．壓力差形成的液壓力由小間隙指向大間隙，與偏心方向相反，此力有使偏心閥桿對(duì)中同心的傾向，因此滑閥3#在偏心時(shí)有自對(duì)中的能力．

圖6?滑閥3#偏心時(shí)其間隙液膜的軸向壓力分布

3.1.2?傾斜間隙液膜的壓力分布

圖7是滑閥3＃的閥桿傾斜率為1/3時(shí)其間隙液膜中收斂間隙和發(fā)散間隙中心處軸向壓力分布情況．如圖所示，傾斜時(shí)收斂間隙和發(fā)散間隙壓力差比較明顯，在每個(gè)高低壓密封段的間隙液膜中壓差值先變大后減小．當(dāng)滑閥中閥桿傾斜時(shí)，在高低壓力源間(即-和-)的壓差區(qū)段的同一軸向位置橫截面處收斂間隙的壓力值大于發(fā)散間隙的值．由于密封段中壓力源結(jié)構(gòu)的不一致，海水的高壓出口和低壓進(jìn)口之間的中間密封區(qū)(即-)的間隙斂散性與兩端段密封間隙斂散性相反，雖然同一軸向位置橫截面處仍有收斂間隙的壓力值大于發(fā)散間隙的值，但其產(chǎn)生液壓力與其他兩者相反．間隙液膜每個(gè)壓差區(qū)段的最大差值出現(xiàn)在其中間位置，且壓差基于該位置呈對(duì)稱分布．從圖中可知，滑閥3＃兩端的液壓力皆大于中間密封區(qū)液壓力，以滑閥球頭位置為力矩統(tǒng)計(jì)基準(zhǔn)，滑閥3＃液壓力的合力產(chǎn)生的液壓傾覆力矩將使傾斜閥桿的傾斜加劇，最終可使其完全傾斜而與閥套內(nèi)壁接觸．說明滑閥3＃在外界干擾傾斜時(shí)沒有自扶正能力，而且會(huì)造成閥桿摩擦阻力的增加．

圖7?滑閥3#傾斜時(shí)其間隙液膜軸向壓力分布

3.2?不同位置狀態(tài)滑閥間隙液膜的力學(xué)特性

不同位置狀態(tài)的滑閥具有不同的間隙液膜結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生不同的間隙液膜壓力分布，故液壓力和力矩亦存在差異．此外，滑閥的閥套上的側(cè)開口是沿周向均布而非連續(xù)的，且閥桿在滑閥內(nèi)偏心和傾斜在不同位置的狀態(tài)具有隨機(jī)性．為探究不同位置、不同偏心和傾斜方向?qū)y液壓力和力矩的影響，將滑閥1?！?＃的偏心和傾斜方向分為開口向和開口間向兩種，即偏心(或傾斜)發(fā)生在閥套開口的中心或兩開口的中間處．仿真條件與第3.1節(jié)中的一致．

如圖8所示，滑閥在不同位置產(chǎn)生的偏心液壓力有所不同，低壓區(qū)中的滑閥4?！?＃的液壓力明顯大于高壓區(qū)中滑閥1?！?＃的液壓力；并且高壓區(qū)的滑閥1＃、2＃的液壓力值近似，低壓區(qū)滑閥4?！?＃的液壓力近似，而滑閥3＃的液壓力介于上述兩者中間．表明滑閥在低壓區(qū)比在高壓區(qū)具有更大的自對(duì)中能力．此外，比較閥桿偏心分別在開口向和開口間向時(shí)液壓力可知，在相同位置滑閥的液壓力最大偏差為3％，表明滑閥在特定位置條件下同偏心率產(chǎn)生的液壓力具有較好的各向同性．

圖8?不同位置滑閥的偏心液壓力

如圖9所示，閥桿傾斜時(shí)高壓區(qū)的滑閥1?！?3＃液壓力和傾覆力矩明顯大于低壓區(qū)滑閥4?！?6＃的數(shù)值．高壓區(qū)的滑閥1?！?＃液壓力和傾覆力矩是順次增加，而低壓區(qū)的滑閥4＃～6＃是順次降低，此時(shí)高壓區(qū)和低壓區(qū)最大液壓力和傾覆力矩的滑閥分別為3＃、4＃．

圖9?不同位置滑閥傾斜的液壓力和傾覆力矩

上述現(xiàn)象原因在于：在高壓區(qū)時(shí)，滑閥從1＃到3＃運(yùn)動(dòng)變化使其中間密封段減小，進(jìn)而產(chǎn)生的液壓力也減小，而兩端密封產(chǎn)生的液壓力之和因其長(zhǎng)度不變而變化不大，使中間液壓力抵消作用減弱，故而造成有傾覆作用的總的液壓力和對(duì)應(yīng)的傾覆力矩的增加．當(dāng)滑閥在低壓區(qū)時(shí)，腔內(nèi)為低壓狀態(tài)，從海水低壓口到腔內(nèi)的液膜為均勻低壓而不會(huì)產(chǎn)生液壓力，故滑閥4＃的液壓力和傾覆力矩相比3＃的液壓力和傾覆力矩大幅度減?。畯幕y4＃到6＃使其中間密封段長(zhǎng)度增加而前段密封長(zhǎng)度減小，且后段密封近似處于低壓等壓狀態(tài)，使總的液壓力和傾覆力矩減小，6＃產(chǎn)生的作用甚至對(duì)傾斜閥桿具有扶正能力．當(dāng)閥桿分別傾斜在閥套的開口向和開口間向時(shí)，相同位置的液壓力大小基本一致，表明滑閥在特定位置條件下同傾斜率產(chǎn)生的液壓力和傾覆力矩也具有各向同性．

3.3?高壓壓力對(duì)滑閥間隙液膜力學(xué)特性的影響

高壓壓力的變化會(huì)造成滑閥間隙液膜的壓力場(chǎng)變化，進(jìn)而影響滑閥在偏心和傾斜時(shí)的液壓力和傾覆力矩．實(shí)際應(yīng)用中高壓壓力是可調(diào)節(jié)的，因此研究其變化對(duì)偏心和傾斜時(shí)間隙液膜液壓力學(xué)特性的影響具有實(shí)際意義．配合間隙0.015mm時(shí)，偏心率和傾斜率皆為1/3，高壓壓力在1.0～6.0MPa變化的條件下仿真．

圖10為閥桿偏心時(shí)高壓壓力變化和液壓力的關(guān)系．當(dāng)閥桿在偏心狀態(tài)時(shí)，隨著高壓壓力從1.0MPa增加到6.0MPa，滑閥1?！?＃的液壓力隨之增加，且增加速率隨高壓壓力增大而增大，呈現(xiàn)非線性關(guān)系．表明高壓壓力增加能夠提高間隙液膜對(duì)偏心閥桿的自對(duì)中的能力．原因在于增加高壓壓力將增大配合間隙中的液膜剛度．

圖10?偏心時(shí)液壓力與高壓壓力變化的關(guān)系

高壓壓力變化也會(huì)影響閥桿傾斜時(shí)間隙液膜的液壓力和傾覆力矩的大?。畧D11給出了閥桿傾斜時(shí)間隙液膜中液壓力和傾覆力矩隨高壓壓力的變化情況．從圖中可知，當(dāng)閥桿在傾斜狀態(tài)時(shí)，隨著高壓壓力從1.0MPa增加到6.0MPa，滑閥1?！?＃的液壓力和傾覆力矩也增加，并且其值與高壓壓力值呈線性關(guān)系．而滑閥6＃液壓力和傾覆力矩隨高壓壓力增加而減小，但其值為負(fù)且絕對(duì)值小，說明滑閥6＃的液壓力產(chǎn)生的力矩對(duì)該位置傾斜閥桿具有扶正能力，但其扶正能力很小，在仿真條件下只有-6.5N·m．

圖11 傾斜時(shí)液壓力和傾覆力矩與高壓壓力變化的關(guān)系

3.4?偏斜率對(duì)滑閥間隙液膜力學(xué)特性的影響

在其他條件不變的情況下，探究液壓力和傾覆力矩與偏斜率的關(guān)系有利于更加全面了解間隙液膜的特性．但在大的偏斜率時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量差或數(shù)量很大而難以進(jìn)行仿真求解，故用仿真和外推法相結(jié)合進(jìn)行分析．在高壓壓力為6.0MPa，配合間隙值0.015mm，偏心和傾斜率分別取0、1/5、2/5、3/5、4/5的條件下仿真分析．

圖12為液壓力隨偏心率的變化情況．隨偏心率的增大，液壓力基本隨之增大．在偏心率較小時(shí)，液壓力與偏心率近似呈線性關(guān)系增加；而在偏心率較大時(shí)，低壓區(qū)滑閥4?！?＃液壓力隨偏心率增加而增加且增速變快，而高壓區(qū)滑閥1＃和2＃液壓力隨偏心率增加而增加，但增率減小，滑閥1＃的液壓力甚至出現(xiàn)降低的現(xiàn)象．在間隙液膜未破壞時(shí)，液壓力隨偏心率增大將增大滑閥的自對(duì)中能力，滑閥偏心液壓力最大值約為229N．需要說明的是，液膜存在是閥桿偏心恢復(fù)的前提，若液膜被破壞，那么閥桿將被擠壓貼靠閥套壁而造成摩擦阻滯．

圖12?液壓力隨偏心率的變化關(guān)系

圖13為在相同配合間隙條件下，液壓力和傾覆力矩隨傾斜率的變化情況．滑閥1?！?＃液壓力和傾覆力矩隨其傾斜率的增大而增大．在傾斜率較小時(shí)，其間隙液膜的液壓力和傾覆力矩隨之線性增加；在傾斜率較大時(shí)，間隙液膜剛度減低而使液壓力和傾覆力矩的增加速率降低．而低壓區(qū)滑閥6＃其液壓力和傾覆力矩始終為負(fù)值，且隨傾斜率的增大而降低，但變化幅度較小．

圖13?液壓力和傾覆力矩與傾斜率的關(guān)系

當(dāng)滑閥處于恰好完全傾斜時(shí)，高壓區(qū)滑閥1＃～3＃的液壓力值分別約為1073N、1260N和1548N，對(duì)應(yīng)的液壓傾覆力矩分別約為138N·m、180N·m和241N·m；低壓區(qū)滑閥4?！?＃的液壓力值分別約為711N、253N、－22N，對(duì)應(yīng)的液壓傾覆力矩約為85N·m、28N·m和－25N·m．

3.5?間隙值對(duì)滑閥間隙液膜力學(xué)特性的影響

配合間隙是間隙密封的一個(gè)重要參數(shù)，其值大小的選擇不僅影響泄漏量及裝置效率，也影響閥桿偏斜時(shí)間隙液膜的壓力場(chǎng)進(jìn)而影響液壓力和傾覆力矩．在高壓壓力6.0MPa，偏心率和傾斜率皆為1/5，而配合間隙值分別取0.010mm、0.015mm和0.020mm條件下仿真．

圖14為在相同的偏心率的條件下，液壓力隨其配合間隙的變化情況．隨著間隙的增加，滑閥間隙液膜的液壓力都隨之增加．高壓區(qū)滑閥1?！?＃液壓力的增加速率隨配合間隙增大而增加，但低壓區(qū)滑閥4＃～6＃液壓力的增加速率隨間隙增大而減?。f明間隙增大有利于滑閥自對(duì)中能力的增加，且對(duì)高壓態(tài)滑閥影響更明顯．同時(shí)配合間隙的增大將造成間隙的泄漏量增加，使裝置效率降低．因此，配合間隙的選擇應(yīng)根據(jù)滑閥密封和自對(duì)中能力的要求權(quán)衡選擇．

圖14 相同偏心率時(shí)不同配合間隙和液壓力的關(guān)系

圖15為在相同的傾斜率條件下，液壓力和傾覆力矩隨其配合間隙的變化情況．隨著間隙的增加，高壓區(qū)滑閥1?！?＃的液壓力和傾覆力矩稍有減小，而低壓區(qū)滑閥4?！?＃的液壓力和傾覆力矩增加．但隨著間隙增加，高壓區(qū)滑閥液壓力和傾覆力矩的減小量不大，而低壓區(qū)滑閥的液壓力和傾覆力矩的增加速率先快后慢．說明高壓區(qū)滑閥液壓力和傾覆力矩對(duì)間隙變化不敏感，而低壓區(qū)滑閥液壓力和傾覆力矩隨間隙增大敏感度降低．

圖15 相同傾斜率時(shí)不同配合間隙與液壓力和傾覆力矩的關(guān)系

4?滑閥間隙液膜的力學(xué)特性優(yōu)化

根據(jù)滑閥間隙液膜在偏斜狀態(tài)的液壓力和傾覆力矩的分析可知，滑閥中的閥桿在傾斜時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的液壓力和傾覆力矩，易造成液壓卡緊，而且閥桿偏心時(shí)產(chǎn)生的對(duì)中傾向的液壓力也會(huì)產(chǎn)生傾斜擾動(dòng)．因此減小滑閥在傾斜時(shí)的液壓力和傾覆力矩是改善滑閥間隙潤(rùn)滑和防止液壓卡緊的關(guān)鍵．

4.1?閥桿優(yōu)化結(jié)構(gòu)的描述

圖16給出了新結(jié)構(gòu)閥桿三維結(jié)構(gòu)剖視圖．設(shè)計(jì)上提高閥桿密封段在整體長(zhǎng)度中的比例有利于改善閥桿的液壓作用下的受力狀況和適應(yīng)性，考慮現(xiàn)有滑閥結(jié)構(gòu)有冗余的空間可被利用，延長(zhǎng)前密封段46mm．在保證密封的情況下為最大限度減小液膜間隙中的液壓力的產(chǎn)生范圍和保證其中壓力響應(yīng)，防止液壓卡緊，將通腔淺槽設(shè)置在滑閥閥桿原結(jié)構(gòu)中前密封段靠外界的邊緣處，實(shí)現(xiàn)閥桿在液壓作用和液膜卡緊問題上的雙重優(yōu)化．該結(jié)構(gòu)無論滑閥在高壓區(qū)還是在低壓區(qū)在閥桿傾斜時(shí)淺槽分開的兩部分只有一個(gè)產(chǎn)生液壓力和傾覆力矩．槽型結(jié)構(gòu)尺寸為槽寬和槽深分別為1.0mm和0.5mm矩形環(huán)槽，在槽底沿周向分布4個(gè)直徑為0.5mm的圓柱形阻尼孔．

圖16?新結(jié)構(gòu)閥桿三維結(jié)構(gòu)剖視圖

根據(jù)間隙液膜力學(xué)特性的分析結(jié)果，閥桿在傾斜時(shí)間隙液膜壓力場(chǎng)軸向分布的最大壓差點(diǎn)出現(xiàn)在各壓差區(qū)段的中間位置，在壓差區(qū)段的中間位置設(shè)置均壓槽對(duì)進(jìn)一步降低傾斜時(shí)的液壓力和傾覆力矩效果最好．在閥桿上設(shè)置的均壓槽尺寸類型是槽寬和槽深都為0.5mm的矩形環(huán)槽[12]．增大槽寬或槽深(如1.0mm和2.0mm)，槽的作用效果變化不大，但會(huì)影響液膜密封和閥桿強(qiáng)度．

4.2?優(yōu)化結(jié)構(gòu)的滑閥間隙液膜的力學(xué)特性

在高壓壓力為6.0MPa、配合間隙0.015mm、傾斜率為1/3的仿真條件下，比較滑閥在原結(jié)構(gòu)、加長(zhǎng)未優(yōu)化結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)下間隙液膜的力學(xué)特性的變化情況．如圖17所示，滑閥的閥桿采用不同結(jié)構(gòu)時(shí)液膜的力學(xué)特性有顯著差異．在上述3種結(jié)構(gòu)中，閥桿傾斜時(shí)在加長(zhǎng)未優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的液壓力最大，在原結(jié)構(gòu)的液壓力次之，在加長(zhǎng)并優(yōu)化結(jié)構(gòu)的液壓力最?。y各結(jié)構(gòu)的液壓力最大值都出現(xiàn)在高壓區(qū)滑閥3＃，其值依次為603N、523N和139N，此時(shí)對(duì)應(yīng)的力產(chǎn)生的液壓傾覆力矩依次為70.1N·m、78.3N·m和22.9N·m．與原結(jié)構(gòu)比較，加長(zhǎng)并優(yōu)化結(jié)構(gòu)滑閥3＃的液壓力和傾覆力矩相對(duì)降低得最小，但分別較原結(jié)構(gòu)已降低了73.4%和70.8%．除此之外，在低壓區(qū)加長(zhǎng)并優(yōu)化滑閥的間隙液膜內(nèi)液壓力皆為負(fù)值，其產(chǎn)生的液壓力矩與傾斜方向相反，這說明優(yōu)化結(jié)構(gòu)的滑閥在低壓區(qū)都具有傾斜扶正能力．在閥桿上引入均壓槽和通腔淺槽，能大幅度降低其在傾斜姿態(tài)時(shí)產(chǎn)生液壓卡緊的力和傾覆力矩，有利于改善滑閥配合間隙內(nèi)潤(rùn)滑和其動(dòng)態(tài)的響應(yīng)．

圖17?不同結(jié)構(gòu)滑閥傾斜時(shí)間隙液膜的力學(xué)特性

5?結(jié)?論

(1) 與偏心時(shí)自對(duì)中的狀況相比，裝置中滑閥的閥桿在傾斜時(shí)間隙液膜內(nèi)的液壓力易造成液壓卡緊．

(2) 在閥桿傾斜時(shí)，間隙液膜內(nèi)的各壓力差區(qū)段的最大壓力差位于每個(gè)區(qū)段的中間位置，且區(qū)段壓力差基于該位置呈對(duì)稱分布．間隙液膜的液壓力和對(duì)應(yīng)的傾覆力矩隨高壓流體壓力、傾斜率的增大而增大．

(3) 均壓槽和通腔淺槽能大幅度降低閥桿在傾斜姿態(tài)時(shí)間隙液膜內(nèi)的液壓力和傾覆力矩，有利于改善滑閥配合間隙液膜內(nèi)潤(rùn)滑和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能．

［1］ 劉中良，劉?寧，李艷霞，等. 反滲透海水淡化壓力能回收裝置進(jìn)展[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40(9)：1408-1417.

Liu Zhongliang，Liu Ning，Li Yanxia，et al. Progress of pressure energy recovery devices in reverse osmosis seawater desalination system[J]. Journal of Beijing University of Technology，2014，40(9)：1408-1417(in Chinese).

［2］ FarooqueAM，Jamaluddin A T M，Al-Reweli A R，?et al. Parametric analyses of energy consumption and losses in SWCC SWRO plants utilizing energy recovery devices[J]. Desalination，2008，219(1/2/3)：137-159.

［3］ Zarzo Domingo，Prats Daniel. Desalination and energy consumption. What can we expect in the near future? [J]. Desalination，2018，427：1-9.

［4］ Liu Ning，Liu Zhongliang，Li Yanxia，et al. Development and experimental studies on a fully-rotary valve energy recovery device for SWRO desalination system[J]. Desalination，2016，397：67-74.

［5］ 王?越，高建朋，任亞斐，等.自增壓式能量回收裝置的開發(fā)與效能分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2016，49(8)：797-801.

Wang Yue，Gao Jianpeng，Ren Yafei，et al.Development and performance analysis of self-boost energy recovery device[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2016，49(8)：797-801(in Chinese).

［6］ Xu Enle，Wang Yue，Wu Jianeng，et al. Investigations on the applicability of hydrostatic bearing technology in a rotary energy recovery device through CFD simulation and validating experiment[J]. Desalination，2016，383：60-67.

［7］ Wu Liming，Wang Yue，Xu Enle，et al. Employing groove-textured surface to improve operational performance of rotary energy recovery device in membrane desalination system[J]. Desalination，2015，365：91-96.

［8］ 天津大學(xué)，浙江大學(xué). 轉(zhuǎn)盤式能量回收裝置：中國(guó)，110013768[P]. 2019-07-16.

Tianjin University，Zhejiang University. Rotary Energy Recovery Device：CN，110013768[P]. 2019-07-16(in Chinese).

［9］ 王安麟，董亞寧，周鵬舉，等. 面向液壓滑閥卡滯問題的健壯性設(shè)計(jì)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45(11)：1637-1642，1652.

Wang Anlin，Dong Yaning，Zhou Pengju，et al. Robust design method for the seizure problem of hydraulic slide valve[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University，2011，45(11)：1637-1642，1652(in Chinese).

［10］ 劉桓龍. 水壓柱塞泵的潤(rùn)滑基礎(chǔ)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2007.

Liu Huanlong. Basic Research on the Lubrication Characteristics of Water Hydraulic Piston Pump[D]. Shengdu：School of Mechanical Engineering，Southwest Jiao Tong University，2007(in Chinese).

［11］ 劉志強(qiáng)，鄭長(zhǎng)松，張小強(qiáng)，等. 液壓滑閥配合間隙的卡緊敏感性研究[J]. 機(jī)床與液壓，2017，45(3)：139-143.

Liu Zhiqiang，Zheng Changyue，Zhang Xiaoqiang，?et al. Study on sensitivity of hydraulic spool valve radial force in clearance[J]. Machine Tool & Hydraulics，2017，45(3)：139-143(in Chinese).

［12］ 楊文軍，陳新元，鄧江洪. 間隙密封液壓缸的活塞卡緊力分析[J]. 液壓與氣動(dòng)，2012(9)：107-109.

Yang Wenjun，Chen Xinyuan，Deng Jianghong. Clamping force analysis of hydraulic cylinder with piston sealing[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics，2012(9)：107-109(in Chinese).

Mechanical Characteristics of Clearance Liquid Films and Structural Optimization of Slide Valves of Rotary Energy Recovery Device

Wang Yue1, 2, 3，Zhang Heng1, 2, 3，Zhou Jie1, 2, 3，Sun Zheng1, 2, 3，Xu Shichang1, 3

(1. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. State Key Laboratory of Chemical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；3. Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology，Tianjin 300350，China)

The rotary energy recovery device(RERD)is an energy-saving equipment which promotes the development and application of reverse osmosis seawater desalination technology. RERD realizes the continuous pressure energy recovery of concentrated brine in reverse osmosis seawater desalination system by adopting a working model of the rotor rotation and through the synchronous response of the slide valves. Slide valves control the direction and flow of fluid and its performance is mainly affected by its switching reliability. However，hydraulic clamping due to unbalanced hydraulic forces highly affects the response performance of slide valves causing a change of the clearances of the slide valve stem with eccentricity and inclination. As a response，simulation models of the liquid films are employed and the hydromechanical characteristics are investigated via CFD method. Equal pressure grooves and a through-cavity shallow groove are introduced to improve hydraulic clamping. Results reveal that when the valve stem is eccentric，the maximum pressure difference for each pressure difference section is achieved on the high-pressure side and the hydraulic force in the liquid film makes the valve stem self-centering. On the other hand，when the valve stem is inclined，the maximum pressure difference in each pressure difference section is located in the middle of each section. The overturning moment generated by the hydraulic force in the liquid film aggravates inclination level，which is prone to hydraulic clamping and blocking. The hydraulic force and its overturning moment in the liquid films increase with higher pressure and greater eccentricity/inclination rate. Reduced pressure difference and decreased generation range of the hydraulic force when inclined were achieved through the introduction of equal pressure grooves and a through-cavity shallow groove. Compared with the original structure，the hydraulic force and overturning moment are reduced by more than 73.4% and 70.8%，respectively upon applying 6.0MPa pressure，and setting the fit clearance and inclination rate to 0.015mm and 1/3，respectively. The results acquired from this paper hope to provide guidance in the optimization of the structures of slide valves and in the improvement of the reliability of their response.

seawater desalination；rotary energy recovery device；slide valve clearance model；mechanical property；optimal design；computational fluid dynamics(CFD)

TQ051.1

A

0493-2137(2022)01-0024-09

10.11784/tdxbz202007064

2020-07-26；

2020-09-26.

王?越（1975—??），男，博士，研究員.

王?越，tdwy75@tju.edu.cn.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFC0403800)；化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題(SKL-ChE-17T02).

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No. 2017YFC0403800)，the State Key Laboratory of Chemical Engineering(No.SKL-ChE-17T02).

(責(zé)任編輯：田?軍)