余瑞明, 吳業(yè)飛, 武興廣, 陳曉宇

(1.上海理工大學 機械工程學院,上海 200093,E-mail: yrm5588@163.com;2.浙江力諾流體控制科技股份有限公司,浙江 溫州 325200)

目前在石油、石化、電廠、制藥、新能源、煤化工、精細化工等行業(yè),高溫、高壓、高壓差、大口徑、嚴密關(guān)斷工況應(yīng)用越來越廣泛[1]。針對公稱通徑在DN80～DN1200、壓力等級在CL150～CL2500、泄漏等級要求Ⅴ級或Ⅵ級乃至零泄漏等苛刻需求,不平衡單座調(diào)節(jié)閥雖不受高溫限制、但要克服高壓差產(chǎn)生的不平衡力以及提供閥座所需的密封力,許多學者對不平衡力和密封力都進行了研究,Cho T D等[2]研究了氣動控制閥運行過程中產(chǎn)生的負載阻力主要受流體高壓差的影響,不平衡截止閥的阻力與致動器力之間的力平衡方程,不平衡閥的力平衡方程測量的閥門入口和出口之間的流體壓差的檢查方法。Lauttamus T等[3]分析了閥座式閥門不平衡的提升力很大,在閥座中要求內(nèi)部密封,由于不平衡力增加了摩擦,使閥門不耐用。楊世忠等[4]分析了執(zhí)行機構(gòu)不論是何種類型,其輸出力都是用于克服負荷的有效力(主要是指不平衡力和不平衡力矩,摩擦力,密封力及重力等有關(guān)力的作用)。雖然進行了許多研究,但在高溫高壓工況下閥門仍然難以克服不平衡力和密封力。平衡籠式調(diào)節(jié)閥不平衡力雖然較小、口徑也可以超大、但高溫工況密封卻難以解決。石月娟等[5]分析了引起平衡籠式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)振動的原因,振動對密封會產(chǎn)生影響。Li W等[6]研究了介質(zhì)的高壓和高溫會影響閥門的強度和剛度,從而降低其密封性。先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥是滿足以上苛刻工況,性價比最高的控制閥,但由于其結(jié)構(gòu)復雜、受工況約束較強,大閥芯、小閥芯具體的尺寸設(shè)計通用性差,限制了先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥的廣泛使用。因此需要一種先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥內(nèi)件計算設(shè)計方法,使其設(shè)計尺寸通用[7-8], 并達到執(zhí)行器推力最小的目的。

針對不平衡單座和平衡籠式調(diào)節(jié)閥高溫工況產(chǎn)生的不平衡力、密封效果差和尺寸設(shè)計通用性差等問題,研究先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥設(shè)計方法,使設(shè)計尺寸通用,執(zhí)行器推力最小。該閥是一種改進型壓力平衡式調(diào)節(jié)閥,與普通籠式調(diào)節(jié)閥相比,具有單獨的壓力平衡式先導閥芯,能實現(xiàn)小開度調(diào)節(jié)。該閥結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高溫工況密封,密封效果好,切斷能力強,適用于控制各種高溫的高壓流體,可作放空切斷閥使用。大閥芯、小閥芯具體的通用尺寸設(shè)計,使先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥可以根據(jù)各種工況使用。與普通調(diào)節(jié)閥相比,在相同小于等于開度范圍內(nèi),由于閥孔之間形成的流通面積的變化程度平緩,所以具有更高的調(diào)節(jié)精度,可以廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、大口徑工況,能夠確保調(diào)節(jié)閥的泄漏等級[9-10]達到Ⅴ級或Ⅵ級,實現(xiàn)嚴密調(diào)節(jié)關(guān)斷的工藝要求。

1 結(jié)構(gòu)與設(shè)計步驟

1.1 先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

▲圖1 先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)包括閥籠1、彈簧2、小閥芯3、大閥芯4、閥座5、閥體6,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥設(shè)計步驟

先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥設(shè)計,包括以下步驟:

(1) 根據(jù)小閥座的結(jié)構(gòu)計算流道高度與小閥芯行程的關(guān)系,計算得到閥芯在不同開度下的流量和相應(yīng)開度下的流通面積;

(2) 根據(jù)步驟1得到的數(shù)據(jù)計算出小閥座開啟截面積和環(huán)形間隙面積,進一步計算小閥座流量與大閥芯環(huán)形間隙流量使小閥座的流出流量不小于大閥芯環(huán)形間隙的流入流量;

(3) 計算小閥芯所需密封力,根據(jù)實際密封系數(shù)得到小閥芯所需密封力與小閥座直徑的關(guān)系,小閥芯最大推力;

(4) 計算小閥芯所需密封力,根據(jù)實際密封系數(shù)得到小閥芯所需密封力與小閥座直徑的關(guān)系,不考慮閥前工作壓力帶來的部分預緊力,即得到小閥芯所需要的最小推力與小閥座直徑的關(guān)系;

(5) 根據(jù)大閥座直徑、閥籠直徑、閥前壓力、閥后壓力、閥腔壓力來計算得到大閥芯所需的最大提升力;

(6) 根據(jù)大閥座直徑、密封系數(shù)、閥前壓力和閥后壓力計算得到大閥芯所需的最大密封力;

(7) 根據(jù)大閥座直徑、閥前壓力、閥后壓力和閥腔壓力來計算得到大閥芯動態(tài)推力;

(8) 通過改變小閥座直徑d1值,對比根據(jù)步驟(4)、(5)、(6)、(7)公式得到的數(shù)據(jù),使得小閥芯密封力、大閥芯提升力、大閥芯密封力、大閥芯動態(tài)推力趨于接近,得到以執(zhí)行器推力最小的閥座設(shè)計結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計方法

針對現(xiàn)有技術(shù)中的先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥尺寸設(shè)計通用性差缺點,提供設(shè)計一種先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥內(nèi)件計算設(shè)計方法,使尺寸通用。為了解決上述技術(shù)問題,先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥設(shè)計方法如下。

測定并計算小閥芯行程與流道高度的關(guān)系:

(1)

式中:H1為小閥芯流道高度,mm;H0為小閥芯行程,mm;d1為小閥座直徑,mm;d3為小閥芯下端直徑,mm。

計算小閥座流量與大閥芯環(huán)形間隙流量:

(2)

(3)

式中:d0為小閥芯上蓋直徑,mm;D1為密封環(huán)直徑,mm;D2為閥籠直徑,mm;D3為大閥芯內(nèi)腔直徑,mm;ζ1為小閥座流阻系數(shù),mm;ζ2為環(huán)形間隙流阻系數(shù),mm;A1為小閥座開啟截面積,mm;A2為環(huán)形間隙面積,mm;P1為閥前壓力,MPa;P2為閥后壓力,MPa;P3為大閥芯內(nèi)腔壓力,MPa;Q1為小閥座流量,m3/h;Q2為環(huán)形間隙流量,m3/h;ρ為介質(zhì)密度,kg/m3。

小閥座的流出流量大于等于大閥芯環(huán)形間隙的流入流量,滿足

Q1≥Q2

則

(4)

小閥芯最大推力和執(zhí)行器開啟力:

F1ZK≥F21-F22

(5)

F1M=d1KM

(6)

式中:F21為小閥芯閥前介質(zhì)不平衡力,N;F22為小閥芯閥后介質(zhì)不平衡力,N;F1M為小閥芯所需密封力,N;F1ZK為執(zhí)行器開啟力,N;KM是密封系數(shù),KM=25,泄漏等級Ⅳ,KM=80,泄漏等級Ⅴ,KM=170,泄漏等級Ⅵ,KM=200,零泄漏,泄漏等級Ⅶ。

大閥芯所需的最大提升力:

FT=F1-F2+F4-F3

(7)

式中:d為大閥座直徑,mm;D2為閥籠直徑,mm;FT為大閥芯提升力,N;F1為閥腔介質(zhì)施加于大閥芯密封環(huán)處力,N;F2為閥前介質(zhì)施加于大閥芯密封環(huán)處力,N;F3為閥后介質(zhì)施加于大閥芯閥座處力,N;F4為閥前介質(zhì)施加于大閥芯閥座處力,N。

大閥芯所需的最大密封力:

FDM=dKM-FJ

(8)

其中:

FJ=F01-F02+F04-F03

式中:FJ為大閥芯介質(zhì)作用力;F01為閥腔介質(zhì)施加于大閥芯密封環(huán)處力;F02為閥前介質(zhì)施加于大閥芯密封環(huán)處力;F03為閥后介質(zhì)施加于大閥芯閥座處力;F04為閥前介質(zhì)施加于大閥芯閥座處力;FDM為大閥芯密封力。以上參數(shù)均單位為N。

大閥芯動態(tài)推力:

FDD=F11-F12-F13

(9)

式中:FDD為大閥芯動態(tài)推力;F11為閥腔介質(zhì)施加于大閥芯密封環(huán)處力;F12為閥前介質(zhì)施加于大閥芯密封環(huán)處力;F13為閥后介質(zhì)施加于大閥芯閥座處力,以上參數(shù)單位均為N。

通過改變小閥座直徑d1值,使得F1M,FT,FDM,FDD趨于接近,從而達到執(zhí)行器推力最小的目的,并按下列公式計算:

(10)

3 設(shè)計實例

先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示,小閥芯流通截面積如圖2所示。

圖2中Y結(jié)構(gòu)局部放大圖如圖3所示。

▲圖2 小閥芯流通截面積

▲圖3 Y的局部放大圖

小閥芯流道高度:

(11)

其中:

由調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)[11-13]設(shè)計d0=d1+2,得出小閥芯行程:

(12)

由H1得

(13)

由調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計D2=d+2,D1=D2-0.5=d+1.5,得ζ2=1.499,A2為

(14)

由d1/D3=0.3(范圍:0.4～0.18),得ζ1=0.455。介質(zhì)類型包括液體、氣體、固體和兩相流,介質(zhì)密度根據(jù)不同介質(zhì),數(shù)值不同[14-15]。由A1、ζ1、A2、ζ2計算流量Q1,Q2。

約束條件:小閥座的流出流量要大于等于大閥芯環(huán)形間隙的流入流量,即Q1≥Q2,也就是流入閥腔內(nèi)的介質(zhì)被迅速排到閥后,使得閥腔內(nèi)壓力不至于累計升高。只有這樣才能盡可能保證閥前內(nèi)壓力P3接近閥后壓力P2,進而保證提升大閥芯的力處于較小值。由此有

(15)

▲圖4 小閥芯推力計算結(jié)構(gòu)

小閥芯需要推力計算結(jié)構(gòu)如圖4所示,其為小閥芯關(guān)閉狀態(tài)。由式(5)計算小閥芯最大推力。

考慮到實際工況,選擇P2=0,密封系數(shù)KM取200,零泄漏,泄漏等級Ⅶ,即KM=200,得

(16)

式中:F1ZG為執(zhí)行器關(guān)閉力,單位為N。

閥門流向為上進下出,部分閥前壓力用于小閥芯密封,由于小閥芯需要的嚴密關(guān)斷密封力是固定的,隨著閥前工作壓力增大,所需的執(zhí)行器推力越小[16]。因此,不考慮閥前工作壓力帶來的部分預緊力,小閥芯需要的嚴密關(guān)斷密封力按200d1考慮。小閥芯密封力和推力比較趨勢如圖5所示。

▲圖5 小閥芯密封力和推力比較趨勢

由圖5可以看出小閥芯密封力總是比小閥芯提升力大,因此小閥芯需要的最小推力為F1M=d1KM=200d1。

大閥芯提升力計算結(jié)構(gòu)如圖6所示,其為小閥芯開啟狀態(tài)。

由調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計D2=d+2,得大閥芯提升力:

(17)

大閥芯密封力計算結(jié)構(gòu)如圖7所示,其為閥門關(guān)閉狀態(tài)。

▲圖6 大閥芯提升力計算結(jié)構(gòu)

▲圖7 大閥芯密封力計算結(jié)構(gòu)

大閥芯所需的最大密封力:

(18)

▲圖8 大閥芯動態(tài)推力計算結(jié)構(gòu)

大閥芯動態(tài)推力計算結(jié)構(gòu)如圖8所示,其為大閥芯開啟狀態(tài)。

大閥芯動態(tài)推力由式(9)計算。

根據(jù)d1、d、H0設(shè)計值及下列優(yōu)選數(shù)據(jù)計算P3,如表1所示。

表1 P1、P2優(yōu)選數(shù)據(jù)/MPa

通過改變小閥座直徑,使得小閥芯密封力,大閥芯提升力,大閥芯密封力,大閥芯動態(tài)推力趨于接近,達到執(zhí)行器推力最小。

4 流量仿真測試

調(diào)節(jié)閥在前后壓差一定的情況下,不可壓縮流體通過閥門的相對流量與閥門的相對開度之間的關(guān)系,稱為流量特性,即被調(diào)介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度之間的關(guān)系:

(19)

式中:W為流量,Wmax為全開流量,W/Wmax為相對流量,即某開度流量與全開流量比,s為開度行程,S為全開行程,s/S為相對開度,即某開度行程與全開行程比。

▲圖9 調(diào)節(jié)閥三維模型

由Solidwork建模,調(diào)節(jié)閥三維模型如圖9所示。

調(diào)節(jié)閥公稱直徑DN100,為了驗證先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥流量特性符合設(shè)計要求,由ANSYS軟件仿真測得各個開度下的流量, 得出流量系數(shù),如表2所示。流量系數(shù)CV%為標準曲線百分比,流量系數(shù)CV為實際值,可調(diào)比50。

表2 開度與對應(yīng)流量系數(shù)

各流量系數(shù)擬合成流量特性曲線,如圖10所示。

▲圖10 流量特性曲線

調(diào)節(jié)閥流量特性為等百分比流量特性,對數(shù)曲線。小開度時,調(diào)節(jié)平穩(wěn)緩和,大開度時,調(diào)節(jié)快速靈敏。調(diào)節(jié)閥的流量特性方程為:

(20)

式中:W為某開度對應(yīng)流量,Wmax為全開時最大流量,J為可調(diào)比,s為行程,S為最大行程。

5 試驗

為了驗證調(diào)節(jié)閥密封性能和尺寸設(shè)計的通用性,在數(shù)字化閥門壓力試驗設(shè)備上進行耐壓和密封試驗。

5.1 試驗條件

調(diào)節(jié)閥公稱通徑DN100,公稱壓力2.0 MPa,閥體爐號D5353O,驅(qū)動方式為氣動,泄漏等級V,作用形式為反作用,執(zhí)行標準為GB/T4213,試驗裝卡方式為手動,試驗介質(zhì)為20 ℃常溫水,試驗設(shè)備數(shù)字化閥門壓力試驗臺。

閥體耐壓測試和閥座密封測試[17-18],現(xiàn)場試驗如圖11所示。

▲圖11 現(xiàn)場試驗

5.2 分析與結(jié)果

調(diào)節(jié)閥試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果

測試為兩個試驗程序,一是壓力測試,二是泄漏量測試,保壓時間均為180 s。壓力試驗是測試閥體的耐壓強度,壓力設(shè)定值3.0 MPa,壓力實際值3.01 MPa,保壓壓降值0.01 MPa,小于0.04 MPa,保壓時間內(nèi)閥體無可見變形和泄漏。泄漏量測試是測試閥座的密封性,壓力設(shè)定值0.35 MPa,壓力實際值0.36 MPa,無壓降,泄漏量設(shè)定值10.00滴/min,泄漏量實測值2滴/min。根據(jù)標準,閥體耐壓強度和閥座密封均滿足要求。

6 結(jié)論

本文研究了先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥的尺寸通用性設(shè)計方法,根據(jù)此方法進行了實例設(shè)計,主要研究如下:

(1) 基于尺寸通用性研究設(shè)計了先導平衡籠式調(diào)節(jié)閥,計算了流量、流通面積、最大最小推力、最大提升力、最大密封力和動態(tài)推力,通過改變小閥芯直徑,各參數(shù)數(shù)值對比使得各個數(shù)值接近,設(shè)計執(zhí)行器推力最小的通用尺寸結(jié)構(gòu),以適應(yīng)高溫高壓,密封性好,結(jié)構(gòu)簡單,可以根據(jù)各種工況調(diào)整尺寸。

(2) 對調(diào)節(jié)閥進行了流量仿真測試,研究分析了其流量特性,得到了等百分比流量特性曲線。

(3) 調(diào)節(jié)閥耐壓和泄漏量試驗,根據(jù)標準,均滿足要求,泄漏等級可達Ⅵ,密封性良好。調(diào)節(jié)閥壓力平衡,開度調(diào)節(jié)小,適用于高溫高壓,調(diào)節(jié)精度高,關(guān)斷嚴密的場合。