一種新型蝶閥調(diào)節(jié)特性的研究

2013-08-09 王楊浙江大學(xué)流體工程研究所

　　闡述了在普通蝶閥的基礎(chǔ)上，加設(shè)適當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)配流板的方法，使普通蝶閥具有線性流量特性，并用數(shù)值模擬計(jì)算出閥門的流量特性。然后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了閥門的流量特性，結(jié)果表明該流量控制閥具有良好的線性調(diào)節(jié)功能和高精度的流量控制。

　　在工程中，線性流量特性調(diào)節(jié)閥的優(yōu)點(diǎn)是單位行程的變化所引起的流量變化是不改變的，在解決供熱、空調(diào)系統(tǒng)中的水力失調(diào)、冷熱不均等問題上得到了廣泛的運(yùn)用。現(xiàn)有的線性調(diào)節(jié)閥一般為座閥，但現(xiàn)有的座閥會(huì)使管道內(nèi)流動(dòng)阻力增大，造成能量損失較為嚴(yán)重。“十二五規(guī)劃”國(guó)家提出了明確的節(jié)能計(jì)劃，為了大力推廣國(guó)家提出的節(jié)能減排計(jì)劃筆者設(shè)想在蝶閥閥板上安裝能實(shí)現(xiàn)線性流量特性的配流板，使這種新型的蝶閥具有線性流量特性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流動(dòng)阻力小，流通能力大等優(yōu)點(diǎn)。

1、閥體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

　　閥門流量公式：

(1)

　　式中：Qs為設(shè)定流量，ΔP為閥門兩端的壓差，Kvs為流量系數(shù)，θ為閥門開度，θmax為閥門最大開度。

　　當(dāng)滿足式

時(shí)，閥的流量特性為線性。

　　閥門的流量能力與閥芯的通流面積有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即閥門的開度決定閥門的通流面積，為了獲得閥門的線性流量特性，希望設(shè)計(jì)的閥門的通流面積與開度呈線性關(guān)系，因此對(duì)閥芯進(jìn)行合理機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是獲得線性流量特性的關(guān)鍵。根據(jù)以往積累的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)對(duì)稱折板閥芯結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 對(duì)稱折板閥芯示意圖

　　其中通流面積的算法，采用面積投影的方法進(jìn)行計(jì)算。其結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)包括：折板高度、折板寬度、折板相對(duì)位置(折板夾角始終保持直角)。其中折板的特殊位置使得折板相對(duì)位置與折板的寬度耦合，即此閥芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)為2個(gè)：折板高度和折板寬度，閥門的通流面積取決于這2個(gè)參數(shù)，通流面積的計(jì)算公式如下：

(2)

　　式中：A為通流面積;R為管道半徑;a為x坐標(biāo)上某位置，隨閥門開度變化取不同值;L為折板寬度;H為折板高度;θ為閥門開度。

　　分別選取不同的折板高度和折板寬度計(jì)算通流面積與閥門開度的關(guān)系，找到合適的尺寸參數(shù)，選取適當(dāng)閥芯尺寸以實(shí)現(xiàn)閥門的線性流動(dòng)特性，文中采用的管道取不同折板高度H和折板寬度L時(shí)，通流面積隨相對(duì)開度變化的曲線如圖2所示。

圖2 不同折板閥體的開度與通流面積的關(guān)系

　　對(duì)比每組的閥門開度與通流面積的關(guān)系數(shù)據(jù)，選取最接近線性關(guān)系的參數(shù)作為折板的結(jié)構(gòu)尺寸，即選擇折板寬度為8mm，折板高度10mm。

2、數(shù)值計(jì)算

　　采用工程中應(yīng)用比較廣泛的RNGκ-ε三維湍流模型和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的SIMPLE方法。對(duì)不同閥門開度θ、不同來流速度條件下的閥門內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，入口采用速度入口邊界條件;出口采用自由流邊界調(diào)節(jié)，收斂條件為速度和湍流的殘差值均小于0.0001。

　　計(jì)算結(jié)果收斂后，通過對(duì)閥前2D～閥后5D的管道截面的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行分析，得到閥前、閥后截面壓力等值線云圖，如圖3、圖4所示。

圖3 閥前截面壓力等值線云圖

圖4 閥后截面壓力等值線云圖

　　由式(1)以及數(shù)值計(jì)算所得到的結(jié)果，可得到閥板在不同θ下的Kvs值，然后利用公式

和

，將不同轉(zhuǎn)動(dòng)角θ和Kvs值分別轉(zhuǎn)化為θ'和K'υs兩個(gè)相對(duì)值，并通過曲線擬合得到相對(duì)流量系數(shù)(K'vs)與相對(duì)行程(θ')的關(guān)系曲線，如圖5所示。一種新型蝶閥調(diào)節(jié)特性的研究

圖5 對(duì)稱折板模型相對(duì)開度與相對(duì)流量系數(shù)

　　關(guān)系曲線-數(shù)值模擬結(jié)果

　　圖5中，對(duì)稱折板模型從30°～90°共7種開度下的流量系數(shù)值具有良好的線性特性。通過線性擬合，得到擬合曲線方程為：

(3)

3、實(shí)驗(yàn)研究

　　為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的計(jì)算精確度問題，論文專門搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

　　通過調(diào)節(jié)旁路調(diào)節(jié)閥來改變被測(cè)蝶閥兩端的壓差，利用計(jì)算機(jī)快速數(shù)據(jù)采樣和信號(hào)處理得到通過蝶閥的流量Q兩端壓差ΔP以及其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 閥門不同開度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(流量：m³/h;壓差：kPa)

　　擬合數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)流量特性公式如下：

(4)

　　在相對(duì)開度0～1的范圍內(nèi)，對(duì)比兩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可得兩者最大相對(duì)誤差為4.6%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)流量誤差低于5%的要求，可見誤差在可接受范圍內(nèi)。將模型的數(shù)值模擬流量特性曲線和實(shí)驗(yàn)測(cè)量流量特性曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。

圖7 閥門流動(dòng)特性曲線的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

　　由圖7可知，折板配流板的線性流量特性改善了普通蝶閥在大開度范圍調(diào)節(jié)時(shí)流量變化緩慢的缺點(diǎn)。同時(shí)，維持了蝶閥在小開度范圍調(diào)節(jié)時(shí)較好的線性流量特性，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)所得的流量特性曲線線性度都較好，相互之間差值較小，這說明以通流面積曲線作為參考，設(shè)計(jì)蝶閥配流板的可行性。也說明了折板狀配流板，可以使普通蝶閥獲得線性的流量特性。