強制密封球閥流場(chǎng)模擬與分析

　　論述了強制密封球閥的結構特點(diǎn)和工作原理，分析了閥門(mén)在全開(kāi)啟和剛開(kāi)啟時(shí)的流場(chǎng)數值模擬狀態(tài)，修改了閥座結構，提高了閥門(mén)密封的可靠性。

1、概述

　　強制密封球閥( 簡(jiǎn)稱(chēng)球閥，下同) 在啟閉過(guò)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(chǎng)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(xiāo)、球體銷(xiāo)、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(guān)閉狀態(tài)時(shí)，逆時(shí)針轉動(dòng)手輪，導軌銷(xiāo)與螺旋槽相配合使閥桿只作上升運動(dòng)，閥桿下端與球體銷(xiāo)相配合，帶動(dòng)球體脫離閥座密封面，繼續轉動(dòng)手輪，將帶動(dòng)球體旋轉90°至閥門(mén)全開(kāi)。反之，順時(shí)針轉動(dòng)閥桿，閥桿下降，帶動(dòng)球體反向轉動(dòng)90°，此時(shí)球體密封面正對閥座密封面，隨著(zhù)閥桿的繼續下降，閥桿楔型面與球體銷(xiāo)產(chǎn)生楔力，推動(dòng)球體密封面緊貼閥座密封面，實(shí)現閥門(mén)的密封，達到零泄漏。強制密封球閥在轉動(dòng)的過(guò)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(dòng)力矩。

3、流場(chǎng)分析

　　3.1、流場(chǎng)模型

　　球閥作為切斷類(lèi)閥門(mén)，在試驗和使用過(guò)程中無(wú)法觀(guān)察在全開(kāi)啟和剛開(kāi)啟時(shí)流體在閥門(mén)內部的流場(chǎng)分布情況，難以實(shí)現數據分析。應用FLUENT 軟件，可對閥門(mén)進(jìn)行流場(chǎng)模擬分析，預測流場(chǎng)分布情況并優(yōu)化結構。首先，采用三維繪圖軟件Solidworks對全開(kāi)狀態(tài)下的閥內流道進(jìn)行建模( 圖2) ，然后將模型導入fluent 中進(jìn)行模擬分析。

1. 導軌銷(xiāo)2. 螺旋槽3. 閥桿4. 球體銷(xiāo)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(kāi)啟時(shí)，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(chǎn)生沖刷。若密封面受到均勻沖刷，可對密封面產(chǎn)生自清洗，有利于閥門(mén)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(shí)影響密封效果，產(chǎn)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(chǎng)分布不均，因此中間部位產(chǎn)生了局部的沖刷，長(cháng)期使用時(shí)可能會(huì )產(chǎn)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(chǎng)分布較為均勻，但介質(zhì)未平滑流過(guò)，有小范圍壓力波動(dòng)。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(zhì)平滑流過(guò)，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(yǔ)

　　從流場(chǎng)模擬結果分析，強制密封球閥在全開(kāi)啟時(shí)流場(chǎng)分布均勻合理，未出現大范圍的壓力和流速波動(dòng)。但是，階梯形結構在球體密封面上流速均勻，平滑過(guò)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。