高壓差調節閥結構改進(jìn)

　　論述了70MPa 高壓差調節閥的使用要求和結構特點(diǎn)。通過(guò)CFdesign 軟件對其介質(zhì)流場(chǎng)進(jìn)行分析，得到了介質(zhì)流通過(guò)程中壓降的分布情況，為其閥體的結構優(yōu)化和避免空化、氣蝕現象的產(chǎn)生提供了科學(xué)的理論依據。

1、概述

　　壓裂工具動(dòng)態(tài)模擬試驗裝置提供一種模擬壓裂真實(shí)狀態(tài)的實(shí)驗環(huán)境，用于水平井壓裂技術(shù)研發(fā)中的單項工具實(shí)驗和成品壓裂完井工具進(jìn)入現場(chǎng)前的評價(jià)實(shí)驗，如攜砂壓裂液對壓裂工具的沖蝕實(shí)驗、壓裂噴口及射孔噴嘴結構優(yōu)化實(shí)驗和真實(shí)壓裂環(huán)境( 高壓、大排量、攜砂) 條件下工具的可靠性實(shí)驗及破壞性實(shí)驗等。模擬試驗裝置中高壓節流調節閥用于調整系統內部壓力，其內部機構采用耐沖蝕設計，節流壓差最大70MPa，壓力自動(dòng)連續調整。

2、參數

　　額定實(shí)驗壓力70MPa

　　流量調節范圍0 ～ 3m3 /min

　　口徑78mm( 31 /16 in. )

　　執行機構電動(dòng)

　　連接形式RTJ 環(huán)連接

3、結構

　　高壓差調節閥( 圖1) 的兩個(gè)節流串聯(lián)在閥體內，兩閥芯由一套驅動(dòng)裝置帶動(dòng)，同步運動(dòng)，其介質(zhì)參數( 流量、壓力) 的變化呈正相關(guān)關(guān)系。介質(zhì)由第一個(gè)節流件節流后經(jīng)閥內兩路并行的通道再進(jìn)入第二個(gè)節流件。閥芯內設置了上下通連的壓力平衡孔，通過(guò)壓力平衡孔將下腔的低壓引至閥芯頂部，以減小介質(zhì)壓力引起的作用在閥芯軸向的不平衡力、減小執行器負荷。電動(dòng)執行器推桿與兩個(gè)閥芯由一個(gè)導向裝置連接。每個(gè)閥芯節流等級初定設計為14 級、并讓介質(zhì)不斷作90°轉向以消耗其動(dòng)能，達到減速降壓差的目的。

4、流場(chǎng)分析

　　4.1、提出問(wèn)題

　　高壓差調節閥在使用過(guò)程中，由于介質(zhì)的壓差很高，很容易產(chǎn)生空化和氣蝕，對閥門(mén)的使用壽命造成很大的影響。同時(shí)，介質(zhì)的高速沖刷也會(huì )對閥門(mén)產(chǎn)生極大的震動(dòng)和噪音。因此，通過(guò)CFdesign 軟件對介質(zhì)的流場(chǎng)分析，可以知道節流閥芯各部分的壓降大小，驗證壓差是否控制在設計要求內，優(yōu)化產(chǎn)品的結構設計。

1、6. 節流套筒2. 閥芯3. 節流環(huán)4. 閥蓋5. 閥體

圖1 70MPa 高壓差調節閥

　　4.2、實(shí)體造型

　　采用三維繪圖軟件Solid works 建模，造型過(guò)程中將圓角、倒角等與流道無(wú)關(guān)的組件忽略，閥體按照其組裝件的結構整體建立成一個(gè)零件，簡(jiǎn)化閥體外型。進(jìn)出口分別拉伸2 倍和3 倍口徑長(cháng)度的管徑，以確保穩定的收斂狀態(tài)。將Solid works 中的模型導入CFdesign 中( 圖2) ，比較導入前后的模型，確保信息的完整性。進(jìn)口壓力設定為70MPa，出口壓力設定為0MPa，閥體材料為固體，介質(zhì)為常溫水。

圖2 CFdesign 中的閥體模型

　　4.3、網(wǎng)格的劃分

　　將閥體、套筒、節流閥桿等與流場(chǎng)分析無(wú)關(guān)的部件抑制，在對流體介質(zhì)網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，充分利用自適應網(wǎng)格劃分技術(shù)在模型尺寸發(fā)生突變處自動(dòng)將網(wǎng)格細化的功能，使整個(gè)模型自動(dòng)分配網(wǎng)格，劃分后的模型網(wǎng)格有931 818 個(gè)單元( 圖3) 。

圖3 流體域網(wǎng)格的劃分

5、結果處理

　　將迭代步數設為1 000，點(diǎn)擊運行按鈕，進(jìn)行分析計算，當運行到862 步時(shí)，運行結束，參數收斂。截取x - z 平面，得到切面的速度云圖和壓力云圖( 圖4，圖5) 。

圖4 X - Z 切面速度云圖

圖5 X - Z 切面壓力云圖

　　由速度云圖可知，進(jìn)出口平均流速V =12. 76m /s。根據流量的計算公式

Q = VS ( 1)

　　式中Q———流量，m3 /min

　　V———進(jìn)出口的平均流速( V = 12. 76) ，m /s

　　S———進(jìn)出口的截面積( S = 4 638) ，mm2將已知數據代入式( 1) ，流量Q = 3. 53m3 /min。分析其計算結果，14 級節流閥芯的流量3. 53m3 /min 比實(shí)驗要求的流量調節范圍0 ～3m3 /min 偏大，所以將閥芯節流件增加一級，為15 級。重新進(jìn)行分析計算，直到參數收斂，此時(shí)進(jìn)出口平均流速V = 9. 6m /s，流量Q = 2. 67m3 /min，在實(shí)驗要求的0 ～3m3 /min 范圍內， 15 級節流的閥芯結構滿(mǎn)足實(shí)驗要求。

6、結語(yǔ)

　　通過(guò)增加閥芯節流級數，改變了閥門(mén)的流量調節范圍，延長(cháng)了閥門(mén)的使用壽命，同時(shí)達到了減音降噪的效果。