多级套筒调节阀消声减振元件设计研究

    目前，随着石油、化工、冶金、电力工业的迅速发展，工艺水平的日渐提高，对其流体的控制部件———调节阀的要求也越来越高。尤其在高压差的条件下，普通的调节阀很难将阀前的高压力下降到阀后所满足的压力，即使满足了所需的压力降，也很难满足调节阀的流量需求。此外，高速流体的直接冲刷，可压缩流体产生的高噪声，不可压缩流体的闪蒸和空化引起的气蚀、强振动及高噪声，均对阀内件造成巨大的破坏，严重影响调节阀的工作性能、使用寿命及阀连接管路系统的安全，构成安全隐患。因此，了解调节阀内部流动特性和消声减振是调节阀设计与应用中必须注重的问题。

    多级降压套筒调节阀采用多级套筒结构，其结构原理如图1所示。该调节阀中，流体通过多个节流截面，压降被分摊到一连串的流通口上，也就是流体每过一个节流面遇到流动阻力分担一部分压差，降低了流体流速，对于可压缩性流体可有效地降低噪声，对于不可压缩性流体可以防止闪蒸、空化，起到降低噪声、减小振动的作用。因此，多级降压套筒调节阀可满足高温、高压差等非常苛刻工况下的流体控制，并可以确保精确控制及较长的工作寿命。

图1 多级套筒式调节阀结构原理示意

    现有的调节阀消声减振研究大都只是提出加多级套筒可以起到消声减振作用，但对于多级套筒结构的各参数的确定、各参数对阀内部流场影响等未作详细研究。因此本文在多级降压理论的基础上，确定多级套筒的级数，并通过理论与数值模拟相结合研究级数的确定，级间间隙、孔径大小对调节阀内部流体流动特性的影响，为具有消声减振且性能优良的高压差调节阀的设计提供可靠依据。

    2 多级降压套筒级数确定依据

    多级降压套筒调节阀，采用多级套筒来进行降压，防止管路系统的振动和噪声，在设计的过程中，应防止阻塞流的发生。阻塞流是指不可压缩流体或可压缩流体在流过控制阀时所达到的最大流量状态（即极限状态）。在固定入口条件下，P₁保持一定而逐步降低P₂时，流经控制阀的流量会增加到一个极限值，再继续降低P₂，流量不再增加，这个极限流量即为阻塞流。液体是不可压缩流体，当阻塞流产生时，伴随有闪蒸、空化的发生。

    闪蒸和空化出现的先决条件是阻塞流的产生。当调节阀两端压差ΔP小于阻塞流压差ΔP'，即ΔP≤ΔP'时，即可避免阻塞流的发生。因此，采用多级降压时每一级实际压差ΔP均小于阻塞流压差ΔP'，就可以避免阻塞流的发生。把这个作为初始判据，确定以液体为介质调节阀内的多级降压套筒的级数。

    阻塞流压差：

        （1）

    式中  F_L———液体压力恢复系数，取F_L=0.99

    F_F———液体的临界压力比系数

        （2）

    式中   P_V———入口温度下液体蒸汽的绝对压力，MPa

    P_C———绝对热力学临界压力，MPa，对于水：P_C=22.12MPa

    3 级数的确定    

    3.1 确定流程

    根据多级降压原理，每一级的压降按几何级数递减，即：

    根据给定公式和判定条件，各级降压和级数确定流程如图2所示。

图2 各级降压和级数确定流程

    3.2 级数计算实例

    以DN150多级降压套筒调节阀为例，进口压力为8MPa，出口压力1MPa，当温度T=180℃，介质为液体，此时级数计算按照图2流程计算。具体参数为T=180℃，P_V=0.01MPa，P₁=8MPa，P₂=1MPa，F_L=0.99，P_C=22.12MPa，初定为三级降压，即n=3，则：

    ΔP=ΔP₁+ΔP₂+ΔP₃

    ΔP'=ΔP₁+ΔP₁/2+ΔP₁/2²

    代入数据解得结果如表1所示。

表1 n=3时计算结果

    由于ΔP₁＜ΔP'₁、ΔP₂＜ΔP'₂、ΔP₃=ΔP'₃，考虑第三级时可能发生阻塞流，故采用四级降压，计算如下：

    代入数据解得结果如表2所示。

表2 n=4时计算结果

    由于ΔP₁＜ΔP'₁、ΔP₂＜ΔP'₂、ΔP₃＜ΔP'₃、ΔP₄＜ΔP'₄，因此每级降压后都不会出现阻塞流，所以对于液体介质，此工况下采用四级降压是满足条件的。

    4 数值模拟计算

    4.1 调节阀计算区域及计算模型

    利用Solidworks三维实体建模软件，对图1所示的阀腔流道进行建模，调节阀的三维实体模型要能准确的反映结构的实际情况，同时在保证计算精度的前提下，模型可适当简化。

    为了保证计算精度，采用分块网格划分和局部细化的方法划分网格，进出口管道部分以结构化网格划分，阀体部分以非结构网格划分，阀座周围的网格局部加密；由于计算模型是对称的，故取其二分之一进行模拟计算，以减少网格数目、节省计算时间；以连续性方程、三维雷诺平均N–S方程和基于各向同性涡粘性理论的k–ε双方程组成调节阀内部流动数值模拟的控制方程组，采用有限体积法对控制方程组进行离散。

    4.2 数值模拟计算结果及分析

    数值模拟结果如图3、4所示。根据图3、4的流场压力分布可知，取套筒级数为四级时，压力分布合理且满足降压要求，流量为200kg/s，满足该调节阀所需流量要求。    

图3 四级套筒压力分布云图

图4 四级套筒速度分布云图

    综上所述，多级降压套筒DN150调节阀取套筒级数四级及以上满足设计要求。    

    5 多级降压套筒级间间隙研究

    根据标准中级间间隙计算如下：

        （5）

    式中  G———级间间隙，mm²

    A———额定行程下相邻上游级管道总横截面积，mm²

    h———行程，mm

    D_S———相邻上游级外径，mm

    代入数据计算结果如表3所示。

表3 间隙计算结果

    由于调节阀内部空间限制，根据上述计算，取套筒各层间间隙4mm，并进行模拟分析，结果如图5、6所示。针对相同结构调节阀，取间隙分别为8mm、7mm、6mm，对改后的调节阀内部流场进行分析，结果如图7、8所示。

图5 各级间隙4mm时压力分布云图

图6 各级间隙4mm时速度分布云图

图7 改变间隙后压力分布云图

图8 改变间隙后速度分布云图

    针对多级降压套筒调节阀，从图5、7可知，图5中，每级间隙处的压力分布不够均匀，图7中的分布比较均匀，因此，在阀内部空间与套筒强度允许范围内，适当增加级间隙，有利于压力平缓的降低；从图6、8可知，适当增加套筒间的间隙，有利于降低套筒内部的流速。

    6 多级降压套筒孔径分析

    对相同结构的多级降压套筒调节阀，定义孔径分别为5mm、6mm，进行流场分析，结果如图9～12。

图9 孔径5mm时压力分布云图

图10 孔径5mm时速度分布云图

图11 孔径6mm时压力分布云图

图12 孔径6mm时速度分布云图

    在总节流面积相同时，从图9、11可知，适当减小孔的直径，有利于增加每级套筒的压降；从图10、12可知，适当减小孔的直径有利于降低套筒内部最大流速，有利于降低噪声、减小振动。

    7 结论

    （1）通过图2流程确定了DN150多级套筒调节阀满足所需压降的套筒级数。通过数值模拟，压力分布合理，流量满足需求，验证了该计算流程的可行性；

    （2）通过理论公式及数值模拟，得出在调节阀内部空间允许的情况下，适当增加套筒间的间隙，有利于套筒内部压力平缓的降低，有利于套筒内部流速的降低，从而起到更好的消声减振效果；

    （3）通过数值模拟，得出在套筒强度允许和总节流面积相等的情况下，适当减小孔的直径，每级套筒的压降增加，套筒内部最大流速降低，有利于降低噪声、减小振动。