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CKD電磁閥介質流向對不平衡力的影響
CKD電磁閥是過程控制中的重要組件,隨著自動化技術的發(fā)展,已被廣泛地應用于冶金、電力、石油和化工等工業(yè)部門中,控制設備的正常與調節(jié)閥的穩(wěn)定性及壽命密切相關。為了使調節(jié)閥能長時間穩(wěn)定工作,不僅要研究調節(jié)閥內部流場,同時也需要對執(zhí)行機構進行研究。在調節(jié)閥工程設計中,執(zhí)行機構在閥全關時輸出推力應滿足1.1(不平衡力+閥座壓緊力)。其中,閥座壓緊力與調節(jié)閥類型相關,受其他條件影響小,因此執(zhí)行機構的選擇主要受調節(jié)閥不平衡力的影響。
CKD電磁閥結構
CKD電磁閥介質流向分為底進側出(流開型)和側進底出(流關型)(圖1)。介質流動方向的改變,一方面會引起調節(jié)閥前后壓力和方向改變,使不平衡力作用方向或大小發(fā)生改變,另一方面會使介質對閥瓣的繞流方向發(fā)生改變,從而改變流體阻力,使作用在閥瓣上的不平衡力發(fā)生改變。這些變化會對調節(jié)閥執(zhí)行機構的選擇產(chǎn)生影響,從而影響調節(jié)閥的穩(wěn)定性及壽命。因此,介質流向的選擇對調節(jié)閥的選型設計和穩(wěn)定性有著極為重要的意義。
閥瓣上表面和下表面所受的壓力隨著開度的變化而變化。為方便計算閥瓣上、下表面所受的壓力值,將閥瓣上、下表面所受壓力變化近似轉換為等效閥瓣截面積的變化。
CKD電磁閥在流開狀態(tài)時,閥桿處于流體的流出端,其不平衡力近似為入口壓力p1和出口壓力p2與等效閥瓣截面積Sh作用的結果,即
(3)
式中 Δp———閥前后壓差,MPa
Sh———某一開度下等效閥瓣截面積,mm2
將問題簡化,對Sh和行程h之間的關系取泰勒展開式,其五階近似式為
(4)
將式(4)帶入式(3),則式(3)簡化為
CKD電磁閥在流關狀態(tài)時,閥桿處于流體的流入端。取泰勒展開式后,其不平衡力計算的五階近似式為
(6)
4 內部流場數(shù)值模擬
4.1 三維模型
快速更換式調節(jié)閥的公稱通徑為200mm,等百分比流量特性,行程60mm。根據(jù)調節(jié)閥結構對稱性,取流道的一半建模,為了使進出口不產(chǎn)生回流,前后管道各加長3倍管徑的長度
將流道模型分為5部分。流體在流經(jīng)閥瓣和閥座時,壓力梯度和速度梯度變化較大,采用較密的非結構四面體網(wǎng)格。在進口和出口處,流體流動較簡單,流速較低且比較平穩(wěn),采用較疏的六面體網(wǎng)格。其余兩個部分,由于結構較為復雜,采用非結構四面體網(wǎng)格。5部分共計網(wǎng)格數(shù)量為196229(圖3)。
4.3 求解模型
設定入口壓力為3MPa,出口壓力為2.75MPa,對稱面邊界條件以及閥瓣面的壁面邊界條件。由于控制閥內部流場結構復雜,當流體流經(jīng)閥體時,會產(chǎn)生非常復雜的流動狀態(tài),雖有旋渦和分離流,但不是強旋渦,屬于中等強度的雷諾數(shù),因此計算模型取標準模型。由于流體與閥體內部邊界面沒有滑移,所以固體邊界面取無滑移邊界條件。
5 結果分析
5.1 介質流向對不平衡力的影響
直行程調節(jié)閥不平衡力是調節(jié)機構中控制閥的閥瓣所受的軸向合力,其大小和方向是執(zhí)行機構選型的重要指標之一。取前后壓差為0.25MPa,針對不同開度進行數(shù)值模擬(表1)。根據(jù)不同開度下的計算值得到不平衡力的變化趨勢圖(圖4)。
根據(jù)流開型CKD電磁閥不平衡力Ftk和CKD電磁閥不平衡力Ftg變化趨勢,得到兩個五階近似多項式。
分析調節(jié)閥不平衡力變化趨勢,CKD電磁閥不平衡力總是比流關型調節(jié)閥大。流開型控制閥不平衡力在各開度下為正。流關型調節(jié)閥不平衡力在開度大于32mm時,不平衡力為正值,在開度小于32mm時,不平衡力為負值。
CKD電磁閥不平衡力變化趨勢
5.2 60%開度時介質流向的影響
流開型調節(jié)閥閥瓣在閥門開度為60%時,受沖刷作用較強,且密封面附近也受到?jīng)_刷(圖5)。流開型調節(jié)閥受到的不平衡力在60%開度時逐漸趨于平穩(wěn),Z后穩(wěn)定在2.6kN(圖6)。由于模型取流道的一半進行計算,因此,不平衡力為5.2kN。
流關型CKD電磁閥在閥門開度為60%時,受沖刷作用位置主要集中在閥瓣底部,距離密封面較遠(圖7)。流關型調節(jié)閥受到的不平衡力沒有收斂的趨勢,始終在85~283N之間波動(圖8),因此,不平衡力在170~566N之間波動。
6 結語
(1)從CKD電磁閥所受不平衡力的大小和閥瓣所受沖刷作用點分析,流關型調節(jié)閥不平衡力小,閥瓣受沖刷影響小,可以提高調節(jié)閥的壽命。
(2)從CKD電磁閥所受不平衡力的方向和穩(wěn)定性分析,流開型調節(jié)閥不平衡力方向始終為正方向,且不平衡力穩(wěn)定,而流關型控制閥不平衡力方向有時為正方向,有時為負方向,且不平衡力在有些開度下是波動的。
(3)CKD電磁閥不平衡力的方向變化對執(zhí)行機構的選型帶來極大影響,這種流向的調節(jié)閥無法應用于氣動薄膜執(zhí)行機構,而且不平衡力的波動極大影響了調節(jié)閥的穩(wěn)定性及壽命,因此,一般直行程單座控制閥設計成流開型。