精确等百分比特性高性能密封蝶阀流量特性计算及其仿真分析

    蝶阀的紧凑结构和较为适中的转矩要求，使其在控制中得到广泛应用。在各类阀门中，蝶阀阀体所用的材料最少，占用的管线空间最小，压力切断能力仅要求一般的执行机构功率。

    随着国内控制阀技术的不断发展，蝶阀已成为工业控制过程主流控制设备之一，过程控制中对蝶阀的调节性、可靠性、稳定性也提出了更高的要求。在已有技术中，各类蝶阀阀板均采用球阀唇缘式密封技术，使用聚合材料或弹性金属环密封座与阀板的球形扇面外缘吻合达到密封的要求，调节特性为近似等百分比，控制性能不足，导致工业生产原料浪费，生产效率低，局限了蝶阀的应用。使得蝶阀的流通能力大，不易堵塞等优点无法体现。

    本文旨在介绍一种精确的等百分比调节性能的蝶阀，蝶阀阀板调节范围在阀门行程的15%-70%，而传统蝶阀阀板调节范围为30%-50%，调节性能是传统蝶阀的两倍以上，使控制接近压力设置点，可应用于既要求精确调节性能，又要求大流通能力的工况，替代大口径单座或套筒调节阀。节约成本和工业原料，提高生产效率。

    蝶阀设计人员也通过使用流体仿真软件对蝶阀进行了仿真计算。

    Huang及Kim分析了蝶阀的三维不可压缩流体的速度及压力分布，并提出了改善蝶阀启闭特性及气蚀的措施。

    SYJeon通过使用fluent软件进行了单阀板及双阀板蝶阀的流场对比，并将结果与实验数据进行对比。

    阀板的结构较复杂，理论计算难度大，结合有限元仿真分析使得设计更为可靠。

    1 蝶阀结构

    蝶阀由阀体、阀板、密封环、密封圈、压环、螺钉组成，结构如图1所示。通过阀板上由背脊、圆弧球面轮廓边缘围成的调节曲面与阀门流道共同作用，实现阀门的精确调节作用。

图1 蝶阀结构示意图

    实现调节性能的关键在于阀板的结构，传统的阀板包括球形扇面外缘、背脊，采用整体铸造成形，背脊上有偏心轴孔和连接销孔。而图2所示的阀板，除了包括球形扇面外缘、背脊以外，在阀板偏心轴孔一侧增加了圆弧球面轮廓边缘，仍采用整体铸造成形。圆弧球面轮廓边缘与背脊围成连贯平滑的曲面，使装有此种阀板的蝶阀具有精确的等百分比调节性能。

图2 阀板结构示意图    

    2 流量特性计算

    等百分比（对数）特性在单位行程变化引起相对流量变化与该点的相对流量成正比，及调节阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增加而放大。等百分比特性在行程过程中的流量满足以下关系式：

        （1）

    由此得出：

        （2）

    θ——蝶阀的开度；

    θ_max——蝶阀的额定开度；

    R——蝶阀的可调比，最大流量与最小流量之比；

    Q——蝶阀在行程为θ时的流量，m³/h；

    Q_max——蝶阀的额定流量，m³/h。

    因此单位位移变化引起的流量变化与点的原有流量成正比，而流量相对变化的百分比总是相等的。

    由于其放大系数K随开度的增加而增加，因此有利于系统调节。在小开度时，流量小，流量的变化也小，调节阀放大系数小，调节平稳缓和；在大开度时，流量大，流量的变化也大，调节阀放大系数大，调节灵敏有效。在同一行程时，其流量比直线特性小。

        （3）

    蝶阀的阻力系数，A为流道座直径，cm²。

    ρ——介质密度，g/cm³；

    g——重力加速度，g=981cm/s²；

    A₀——某开度下的流通面积，cm²；

    Q——流体的体积流量，m³/h；

    3 流通面积的确定

    由公式（3）推导出蝶阀各个开度下的流通面积。

        （4）

    （4）式为等百分比流量特性蝶阀，开度为时的流通面积。    

    以为依据，确定阀板的结构参数，则得到的蝶阀其流量特性能够符合等百分比特性。

    蝶阀在不同开度下的流通面积，阀板旋转不同的角度θ时，分别得到由阀板球形扇面外圆、阀体通道、圆弧球面边缘轮廓、连贯平滑曲面组成的流通面积，蝶阀的动作模型见图3。

图3 蝶阀动作模型

    以具体阀为例，将阀体、密封圈等零部件确定，阀板的厚度及偏心尺寸根据工况及设计标准确定，则为阀板调节曲线几何尺寸的函数：

    其中：L——通流面积弦长计算点到旋转中心的距离；

    θ——阀板开度；

    α——L与X轴的夹角。

        （5）

    A1—非调整曲线侧在阀板转动过程中的流通面积，为流道圆与阀板形成的面积；

    A2—调整曲线侧在阀板转动过程中的流通面积，为流道圆与阀板曲线形成的面积；

    转换为空间球面坐标进行积分。由于计算较为复杂，计算机编程实现确定各计算点，初步得出阀板的扇面外缘，及背部曲线。

    将得到的初步模型再通过复算及反求进行修正。

    4 流量特性仿真分析

    理论计算得出阀板的参数，蝶阀的固有流量特性通过仿真进行验证。利用fluent软件进行蝶阀流量特性的仿真计算。

    4.1 仿真模型

    建立仿真流道如图4所示，按照标准规定，固有流量特性试验要求，仿真模型在蝶阀入口端加长2D，出口端加长6D。

图4 仿真模型

    4.2 数值计算方法

    根据标准规定，计算流体为室温的水，出口端与入口端的压差为0.1MPa，经初算，流体的雷诺数大于105，因此，雷诺数的影响很小，属湍流状态，遵循RANS方程式：

    4.3 湍流模型

    求解上述方程，常用的湍流模型为k-模型、k-ε模型、RS模型，选择蝶阀的某个开度，分别使用上述三种进行对比。各有优缺点，最终选择k-ε模型，它不涉及非线性阻尼系数，更准确和灵活，更适用于圆管流动求解。

    4.4 仿真结果及分析

    分别选取阀阀门10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%等九个开度，设置好初始条件及边界条件。得到该蝶阀各开度时的流场分布图及蝶阀的固有特性曲线，具体参见图5。      

（a）各开度下的压力云图

（b）各开度下的速度云图

（c）各开度下的流线分布

（d）蝶阀固有流量特性曲线

图5 蝶阀流场仿真结果（20°、40°、70°、90°）

    分析结果可以看出：固有流量特性的仿真结果与理论计算结果基本吻合，整个开度范围内的差距小于6.5%。阀门的流量特性符合等百分比特性。

    15%～70%开度都能实现流量调节，而传统双偏心蝶阀在50%以后调节作用较差。

    开度越小，阀板背面产生的湍流程度越高，背面压力小，产生阀板附加翻转力矩，易于阀板动作。

    结语    

    1、本文提出的蝶阀阀板具有精确的等百分比调节性能，设备的控制更接近工业压力设置点。蝶阀拥有精确的等百分比调节性能，避免了工业原料的浪费。

    2、精确的调节性能使装备了该新型阀板的双偏心蝶阀的应用范围更广，能替代体积大而笨重的大口径单座、套筒调节阀，节约成本。

    3.蝶阀流量特性的理论计算较为复杂，可通过修改参数化几何模型，结合仿真来修正调节曲线，较为直观。