強制密封球閥流場模擬與分析

　　論述了強制密封球閥的結構特點和工作原理，分析了閥門在全開啟和剛開啟時的流場數(shù)值模擬狀態(tài)，修改了閥座結構，提高了閥門密封的可靠性。

1、概述

　　強制密封球閥( 簡稱球閥，下同) 在啟閉過程中球體與閥座密封面分離，降低了摩擦力矩，減少了密封面的磨損，有效的提高了密封的可靠性，因此在天然氣站場的計量裝置中得到了廣泛的應用。

2、強制密封球閥的工作原理

　　球閥由閥體、閥蓋、閥桿、導軌銷、球體銷、球體和閥座等零部件組成( 圖1) 。其閥桿上端帶有螺旋槽，下端為楔型面。當球閥處于關閉狀態(tài)時，逆時針轉動手輪，導軌銷與螺旋槽相配合使閥桿只作上升運動，閥桿下端與球體銷相配合，帶動球體脫離閥座密封面，繼續(xù)轉動手輪，將帶動球體旋轉90°至閥門全開。反之，順時針轉動閥桿，閥桿下降，帶動球體反向轉動90°，此時球體密封面正對閥座密封面，隨著閥桿的繼續(xù)下降，閥桿楔型面與球體銷產生楔力，推動球體密封面緊貼閥座密封面，實現(xiàn)閥門的密封，達到零泄漏。強制密封球閥在轉動的過程中由于密封面脫離，只存在填料與閥桿、閥桿螺紋與閥桿螺母之間的摩擦轉矩，因此減小了轉動力矩。

3、流場分析

　　3.1、流場模型

　　球閥作為切斷類閥門，在試驗和使用過程中無法觀察在全開啟和剛開啟時流體在閥門內部的流場分布情況，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。應用FLUENT 軟件，可對閥門進行流場模擬分析，預測流場分布情況并優(yōu)化結構。首先，采用三維繪圖軟件Solidworks對全開狀態(tài)下的閥內流道進行建模( 圖2) ，然后將模型導入fluent 中進行模擬分析。

1. 導軌銷2. 螺旋槽3. 閥桿4. 球體銷5. 球體6. 閥座

圖1 強制密封球閥

圖2 球閥流道模型

4、閥座結構優(yōu)化

　　球閥剛開啟時，由于流通面積小，在全壓差下流體流速較大，將對球體密封面產生沖刷。若密封面受到均勻沖刷，可對密封面產生自清洗，有利于閥門密封。反之，若密封面受到不均勻沖刷，將造成密封面損壞，嚴重時影響密封效果，產生泄漏。因此，提出了閥座結構優(yōu)化方案( 圖4，圖5) 。

圖4 y = 0 水平截面上速度云圖

圖5 z = 0 水平截面上速度云圖

　　在弧形結構中，靠近閥座密封面處中間部位流速較大，兩側較小，流場分布不均，因此中間部位產生了局部的沖刷，長期使用時可能會產生小范圍的凹坑，影響密封效果。在斜形結構中，閥座密封面處的流速與弧形結構方案，流場分布較為均勻，但介質未平滑流過，有小范圍壓力波動。對比階梯形方案和斜形方案，速度云圖分布幾乎相同，但階梯形方案中在靠近閥座密封面上的流速分布均勻，介質平滑流過，速度云圖分布較為合理。綜合y = 0 和z = 0水平截面上速度云圖分析，可得階梯形結構的方案相對較好。

5、結語

　　從流場模擬結果分析，強制密封球閥在全開啟時流場分布均勻合理，未出現(xiàn)大范圍的壓力和流速波動。但是，階梯形結構在球體密封面上流速均勻，平滑過渡，在相同的使用條件下增加了密封面的使用壽命。因此在不影響閥座強度的條件下，可采用將閥座結構修改為階梯形，以提高密封的可靠性。