一種新型蝶閥調節特性的研究

　　闡述了在普通蝶閥的基礎上，加設適當幾何結構配流板的方法，使普通蝶閥具有線(xiàn)性流量特性，并用數值模擬計算出閥門(mén)的流量特性。然后搭建實(shí)驗平臺，驗證了閥門(mén)的流量特性，結果表明該流量控制閥具有良好的線(xiàn)性調節功能和高精度的流量控制。

　　在工程中，線(xiàn)性流量特性調節閥的優(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、空調系統中的水力失調、冷熱不均等問(wèn)題上得到了廣泛的運用�，F有的線(xiàn)性調節閥一般為座閥，但現有的座閥會(huì )使管道內流動(dòng)阻力增大，造成能量損失較為嚴重。“十二五規劃”國家提出了明確的節能計劃，為了大力推廣國家提出的節能減排計劃筆者設想在蝶閥閥板上安裝能實(shí)現線(xiàn)性流量特性的配流板，使這種新型的蝶閥具有線(xiàn)性流量特性和結構簡(jiǎn)單，流動(dòng)阻力小，流通能力大等優(yōu)點(diǎn)。

1、閥體的創(chuàng )新設計

　　閥門(mén)流量公式：

(1)

　　式中：Qs為設定流量，ΔP為閥門(mén)兩端的壓差，Kvs為流量系數，θ為閥門(mén)開(kāi)度，θmax為閥門(mén)最大開(kāi)度。

　　當滿(mǎn)足式 時(shí)，閥的流量特性為線(xiàn)性。

　　閥門(mén)的流量能力與閥芯的通流面積有對應的關(guān)系，即閥門(mén)的開(kāi)度決定閥門(mén)的通流面積，為了獲得閥門(mén)的線(xiàn)性流量特性，希望設計的閥門(mén)的通流面積與開(kāi)度呈線(xiàn)性關(guān)系，因此對閥芯進(jìn)行合理機械結構設計是獲得線(xiàn)性流量特性的關(guān)鍵。根據以往積累的經(jīng)驗，設計對稱(chēng)折板閥芯結構，如圖1所示。

圖1 對稱(chēng)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)行計算。其結構幾何參數包括：折板高度、折板寬度、折板相對位置(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位置與折板的寬度耦合，即此閥芯的結構參數為2個(gè)：折板高度和折板寬度，閥門(mén)的通流面積取決于這2個(gè)參數，通流面積的計算公式如下：

(2)

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

　　分別選取不同的折板高度和折板寬度計算通流面積與閥門(mén)開(kāi)度的關(guān)系，找到合適的尺寸參數，選取適當閥芯尺寸以實(shí)現閥門(mén)的線(xiàn)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)，通流面積隨相對開(kāi)度變化的曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 不同折板閥體的開(kāi)度與通流面積的關(guān)系

　　對比每組的閥門(mén)開(kāi)度與通流面積的關(guān)系數據，選取最接近線(xiàn)性關(guān)系的參數作為折板的結構尺寸，即選擇折板寬度為8mm，折板高度10mm。

2、數值計算

　　采用工程中應用比較廣泛的RNGκ-ε三維湍流模型和非結構化網(wǎng)格的SIMPLE方法。對不同閥門(mén)開(kāi)度θ、不同來(lái)流速度條件下的閥門(mén)內流場(chǎng)分布進(jìn)行了數值模擬，入口采用速度入口邊界條件;出口采用自由流邊界調節，收斂條件為速度和湍流的殘差值均小于0.0001。

　　計算結果收斂后，通過(guò)對閥前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(xiàn)云圖，如圖3、圖4所示。

圖3 閥前截面壓力等值線(xiàn)云圖

圖4 閥后截面壓力等值線(xiàn)云圖

　　由式(1)以及數值計算所得到的結果，可得到閥板在不同θ下的Kvs值，然后利用公式 和 ，將不同轉動(dòng)角θ和Kvs值分別轉化為θ'和K'υs兩個(gè)相對值，并通過(guò)曲線(xiàn)擬合得到相對流量系數(K'vs)與相對行程(θ')的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖5所示。

圖5 對稱(chēng)折板模型相對開(kāi)度與相對流量系數

　　關(guān)系曲線(xiàn)-數值模擬結果

　　圖5中，對稱(chēng)折板模型從30°～90°共7種開(kāi)度下的流量系數值具有良好的線(xiàn)性特性。通過(guò)線(xiàn)性擬合，得到擬合曲線(xiàn)方程為：

(3)

3、實(shí)驗研究

　　為了驗證數值模擬的計算精確度問(wèn)題，論文專(zhuān)門(mén)搭建了實(shí)驗測試平臺，實(shí)驗裝置如圖6所示。

圖6 實(shí)驗裝置圖

　　通過(guò)調節旁路調節閥來(lái)改變被測蝶閥兩端的壓差，利用計算機快速數據采樣和信號處理得到通過(guò)蝶閥的流量Q兩端壓差ΔP以及其他實(shí)驗數據，如表1所示。

表1 閥門(mén)不同開(kāi)度下的實(shí)驗數據(流量：m³/h;壓差：kPa)

　　擬合數據，得到實(shí)驗流量特性公式如下：

(4)

　　在相對開(kāi)度0～1的范圍內，對比兩實(shí)驗數據和數值模擬數據可得兩者最大相對誤差為4.6%，滿(mǎn)足設計目標流量誤差低于5%的要求，可見(jiàn)誤差在可接受范圍內。將模型的數值模擬流量特性曲線(xiàn)和實(shí)驗測量流量特性曲線(xiàn)進(jìn)行比較，結果如圖7所示。

圖7 閥門(mén)流動(dòng)特性曲線(xiàn)的數值模擬和實(shí)驗測試數據對比

　　由圖7可知，折板配流板的線(xiàn)性流量特性改善了普通蝶閥在大開(kāi)度范圍調節時(shí)流量變化緩慢的缺點(diǎn)。同時(shí)，維持了蝶閥在小開(kāi)度范圍調節時(shí)較好的線(xiàn)性流量特性，數值模擬和實(shí)驗所得的流量特性曲線(xiàn)線(xiàn)性度都較好，相互之間差值較小，這說(shuō)明以通流面積曲線(xiàn)作為參考，設計蝶閥配流板的可行性。也說(shuō)明了折板狀配流板，可以使普通蝶閥獲得線(xiàn)性的流量特性。

4、結論

　　該文介紹了添加折板狀配流板進(jìn)行優(yōu)化設計的方法，此種折板狀配流板不僅加工制造較為簡(jiǎn)便，同時(shí)使蝶閥的通流面積在大開(kāi)度條件下的變化率增大，實(shí)現比較理想的線(xiàn)性流量特性。

　　實(shí)驗研究表明這種控制蝶閥產(chǎn)品具有理想的線(xiàn)性流量調節特性，在調節精度、調節范圍方面都有明顯的改進(jìn)和提高，論文成果在工程中有重要的應用價(jià)值。