CFX仿真分析技术在止回阀阀板抖动故障处理中的应用

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止回阀又称逆流阀，该类阀门主要依靠管路中介质本身的流动产生的力而自动开启和关闭，以用于防止介质倒流、防止泵及其驱动电机反转，根据其结构不同分为旋启式、蝶式、升降式、管道式、对夹式等类型。其中，蝶式结构止回阀因其具有低流阻、结构简单等特点，广泛应用于较大口径管路系统中。在工程设计中，针对止回阀的设计收稿日期： 2013-03-0l大多停留在阀门设备结构强度和内外密封可靠性方面，受设计手段和认识水平的制约，在设计中对止回类型阀门的水力特性分析不深人，尤其对工作介质与阀板相互作用的分析不全面，以致后续试验、运行和维护成本偏大↑年来，随着计算流体力学仿真分析技术的发展，止回阀设备的设计分析已逐渐由原来的静强度设计向运行特性仿真分析转变，CFX软件作为流体仿真分析平台，运用流场分析拈即可以直观地分析阀板周围的流2013年第4l卷第6期 流 体 机 械 51动状态、阀门的阻力特性及工作介质作用在阀板上的力矩等，本文针对管路系统试验泵出口止回阀运行过程中出现的阀板抖动故障进行分析，根据系统运行工况和阀门阀板结构特点，运用 CFX软件对该止回阀阀板进行仿真分析，提出合理阀板改进结构，解决阀板处存在的抖动故障，提高阀门运行稳定性 j。

2 阀门结构及阀板抖动故障2.1 阀门结构特点在试验回路系统中，在泵设备出口设置止回阀，该阀门为蝶式结构，公称压力 PN32MPa，公称通径 DN350mm，主要由阀体、阀板及轴系组件、密封部件等零、部件组成，如图 1所示。该阀门的阀座采用倒倾式，为便于反向流动介质将阀门关闭，在阀板背流表面设有限位凸台，该凸台与阀板为整体加工而成，阀板全开时，与阀门竖直中心线之间的角度为80。，阀门全开时的位置示意见图2。

轴图 1 蝶式止回阀结构示意限位凸台图2 阀门全开位置示意2.2 阀板抖动故障在进行系统调试试验过程中，启动其中-台试验泵，当系统流量为低速设计流量时，在阀门出口处出现明显的嗒、嗒、嗒”异常响声，当流量达到高速设计流量时，异响消失，降低流量至低速设计流量值时，异响复现，通过对阀门设备进行拆解检查，发现阀板背流表面凸台上存在-处明显亮痕(长约 7ram，宽约 2ram)，亮痕位置如图 3所示 。

回 图3 阀板抖动故障后亮痕位置示意2.3 阀板抖动故障分析止回阀作为-种随系统运行状态变化而变化的阀门设备，其工作特性与系统的运行状态密切相关，而蝶式止回阀因其旋转轴位于阀板中间位置，针对系统运行特性的微小变化，阀板运动特性变化相对其他类型止回阀更为敏感，同时，对蝶式止回阀而言，在某-较大开度下，当阀板水冲力矩和重力矩差值较小时，其运行稳定性较差，容易产生振荡现象。阀板抖动故障分析过程见图4。

阀板异阀板抖动撞击阀体匮 亟圈 阀板所受水冲力矩与重力矩差值不足以抵抗外部激励干扰现象.---.-原因.---..内部机理图4 阀板抖动故障分析基于蝶式止回阀的运行特性，根据拆解结果，结合该设备阀板结构特点，判定导致该异响的原因主要为：当阀门所在环路试验泵低流量运行时，泵出口处的止回阀在正向介质的作用下开启，在某-流量下，阀板达到全开，此时，背流表面限位凸台贴靠在阀体内表面的加工台阶。在流量波动等因素的作用下，阀板附近流场不稳定，致使介质作用在阀板上的水冲力矩存在-定变化，在水冲力矩与阀板重力矩的综合作用下，阀板出现微小幅度、-定频率的抖动，造成阀板限位凸台与阀体加工台阶连续轻微撞击，发出嗒、嗒、嗒”响声。

52 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.6，20133 CFX仿真分析技术在阀板水力特性分析中的应用3.1 阀板水力特性通过对主止回阀的异响原因分析，针对出现异响止回阀所在系统的实际情况，阀板异响本质为在该运行环境下阀板稳定性能下降，这是因为，阀板在工作过程中，随着工作介质流量增加，阀板开启角度逐渐达到全开角度，在达到全开角度前后对应的-定流量范围内，作用在阀板上的水冲力矩克服重力矩后仍有-定裕量，但在-定外界激励力作用或流场波动情况下，该全开位置处阀板的稳定运行能力不能克服外界激励干扰，即驱开力矩裕量不足，出现阀板抖动现象。

为提高工作介质作用在阀板上的驱开力矩，根据水动力作用原理，应提高阀板迎流表面的面积，即通过减小阀板全开角度来实现，表 1为该阀板开启角度为 79。、78。、77。、76。、75。、74。、73。、72。、71。、70。时，迎流面积与 80。(原设计全开位置)时相对变化对比。从表 1变化对比情况看，在阀板全开角度为 76。～75。(即减小约 4。～5。)时，与原设计全开角度相比，阀板迎流面积增大约13%，尽管随着阀板全开角度继续减小，阀板迎流面积增大值较为明显，但是，此时阀门的阻力损失也将增大。因此，在 CFX仿真分析中，-方面分析阀板开启角度减小时的水冲力矩，另-方面分析其阻力系数相对值变化情况。

表 1 不同开启角度阀板迎流面积对比阀板开启角度(。) 迎流面积与80。时相对变化情况79 增大约4%78 增大约 8%77 增大约 10%76 增大约 13%75 增大约 13%74 增大约20%73 增大约23%72 增大约26%71 增大约30%70 增大约 34%3.2 CFX仿真分析技术应用为解决阀板抖动现象，应采取措施提高阀板全开时的驱开力矩的裕量，从蝶式止回阀结构分析结果可知，在9o。O。范围内，随着阀板开启角度的减小，阀板迎流表面积增大，阀板所受工作介质的水冲力矩增大；然而，随着阀板开启角度的减小，阀门的阻力系数也随之增大。因此，应对阀板不同开启角度下的水冲力矩、重力矩进行分析计算，同时，还应考虑阀门阻力变化对管路系统流量的影响。

CFX软件中的流体仿真分析技术可以对用户输入的不同流动模型进行分析计算，通过对阀板各结构尺寸及运动参数进行建模，分析作用在阀板力矩和阻力特性随阀门开启角度的变化情况，以寻找合理可行的阀板结构改进方案。

(1)建立阀门 80。(原设计全开位置)、79。、78。、77。、76。、75。、74。、73。、72。、71。、70。时不同开启角度的流道模型，并对可能的流体流动区域进行网格划分，图5所示为 75-启角度时的模型。

图5 阀门75-启角度时流道模型(2)根据试验泵在低速设计流量处，分别对阀板开启角度为 8O。(原设计全开位置)、79。、78。、77。、76。、75。、74。、73。、72。、71。、70。时，计算阀门的阻力系数相对系统总阻力值、水冲力矩、重力矩，并计算阀板所受的合力矩等性能参数。在阀门人口、出口处分别采用速度入口和压力出口边界条件，同时用标准壁面函数确定固壁附近流体流动。采用 N-S控制方程(RANS)配合标准 K-湍流模型对阀门内流厨行全三维数值模拟计算。

表2 不同开启角度阀板水力特性计算结果阀板开启 阻力系数 水冲力矩 重力矩 合力矩角度值(。) 相对值 (N·m) (N·m) (N·m)80 0.132 4.6 -3.32 1.2879 0.133 4.65 -3.31 1.3478 0.134 4.75 -3.29 1.4677 0.134 5.0 -3.29 1.7176 0.134 5.3 -3.26 2.0475 0.135 5.7 -3.26 2.4474 0.138 5.8 -3.23 2.5773 0.138 6.1 -3.23 2.8772 0.14 6.3 -3.20 3.17l 0.142 6.6 -3.18 3.4270 0.145 7.0 -3.14 3.862013年第41卷第6期 流 体 机 械 53(3)对不同角度下阀板水力特性计算结果进行分析，可以看出，随着阀板开启角度的减小，-方面，阀门的阻力系数逐渐增大，在 75。附近阀门的阻力系数下降相对较大；同时，随着阀门开启角度的减小，工作介质作用在阀板上的水冲力矩增加(驱开方向)，而阀板的重力矩变化范围相对较小(驱关方向)，在 75。附近处作用在阀板上合力矩的明显增大，达到水冲力矩的40%。

因此，水力特性仿真计算结果表明，适当调整阀板全开角度后，止回阀的阻力有所增加，但与低速设计流量时对应的系统总阻力相比，变化较小，可判断在阀板开启角度微量调整后，系统流量不会发生较大变化，经计算，流量变化在系统运行可接受范围内，而调整后全开状态下作用在阀板上的驱开力矩值增加相对较多。

3.3 CFX仿真分析结论根据 CFX仿真分析结果，初步确定阀板改进方案采用全开角度减小 5。的方案。阀门开启角度为75。时的流场矢量见图 6，阀门开启角度为75。时的流速矢量见图7。

图6 阀门75-启角度流场矢量图 7 阀门75-启角度流速矢量4 阀板结构改进及试验验证4.1 阀板 改进 结构在保证阀板改进结构与原阀板结构基本不变的前提下，在阀板背部加工-长方形槽，选用-块与阀板相同材质的长方形条，该方形条的尺寸与阀板背部的槽形尺寸-致，并在方形条上加工限位凸台，通过增加该限位凸台的高度尺寸，使阀板的全开角度减小 5。(原阀板全开角度为 80。，改进后阀板全开角度为75。)，长方形条块与阀板通过两根螺栓连接在-起，试验阀板的结构见图 8。

图 8 阀板改进后结构示意图 9 阀板全开角度 调整前后位置对 比不意4.2 试验验 证完成阀板改进的加工和水力特性分析后，按照规定装配工艺进行止回阀复装，开展试验泵低速验证试验和高速运行试验，启动试验泵低速，止回阀处无异常响声，此时，试验环路流量与原阀板结构下的低速流量基本-致，启动试验泵高速，试验环路流量与原阀板结构下的高速流量基本不变，不影响系统运行。阀板改进前后试验结果对比见表 3，试验结果表明，阀板结构改进方案有效，该方案解决阀板出现的抖动故障，提高阀门运行稳定性能。

表3 阀板改进前后试验结果对比系统流量相对 阀板状态 试验泵状态 阀板异响变化值(低速/高速)改进前 低速 有改进后 低速 无 ～3%/～1.5%(下转第69页)2013年第41卷第6期 流 体 机 械机组送风口为增焓加湿冷却，改进流程后的管式间接蒸发冷却空调机组降温效果不佳，出风温度高于进风口的湿球温度，与单独使用直接蒸发冷却空调机组相比，经济性较差，综合考虑与其应用此改进流程后的管式间接蒸发冷却空调机组，倒不如单独使用直接蒸发冷却空调机组；与两级间接-直接蒸发冷却空调机组(如图1所示)相比，降温效果差距较大，对于现今所应用的管式间接-直接蒸发冷却空调机组，应用传热传质理论分析合理，实际运行效果比改进流程后的管式间接蒸发冷却空调机组更好，因此对改进流程后的管式间接蒸发冷却空调机组进行产品开发实际可行性意义不大。同时通过理论分析结合测试结果对管式间接蒸发冷却器的这种流程改进有了新的认识。