调节阀阀口设计与仿真分析

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Design and Simulation Analysis for Control Valve PortYANG Guolai ，CAO Wenbin ，LIU Xiaoxiong。， WU Guoguo(1.School of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou Gansu 730050，China；2.Engineering Institute of Wenzhou Pump& Valve，Lanzhou University of Technology ，Wenzhou Zhejiang 325105，China)Abstract：Taking sleeve type control valve as the study object，the characteristics of the flow control valve was analyzed based onthe principle of orifice flowmeter，the relationship between the valve flow coefficient and its opening area and the calculation formula ofthe valve port area of equal percentage flow characteristic Curve were goten.The flow coeficients of the control valve in diferent open-ing were calculated by CFD numerical simulation.Th e flow curve was drawn，and it was compared with the design curve.The mathe-matical model and CFD technology make the design of high·perform ance sleeve-type valve with shorter design cycles，lower cost andhigher accuracy。

Keywords：Sleeve type control valve；Flow characteristics；Valve port area；CFD1 调节阀简介调节阀又称控制阀u ，它是过程控制系统中用动力操作去改变介质流量的装置，广泛应用于核电、石化、冶金、电站等行业。调节阀由执行机构和阀门部件两部分组成：执行机构是调节阀的驱动装置，它按信号压力的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，从而带动阀芯动作；阀f-In件是调节阀的调节部分，它直接与介质接触，通过执行机构推杆的位移，改变调节阀的节流面积，达到调节的目的。

套筒式调节阀是-种特殊的调节阀，典型结构如图1所示。其阀体与直通单座式阀体相似，但阀内有- 个圆形套筒。套筒四周有不同形状的开口，根据流通能力大小来设计窗口的数量。利用套筒导向，阀芯可以在套筒中上、下移动，由于这种移动改变了套筒的节流面积，形成了各种流量特性，并实现流量的调节。由于套筒调节阀采用平衡型的阀芯结构 ，阀芯和套筒圆柱面导向，因此，不平衡力小，稳定性好，不易震荡，从而改善原有阀芯容易损坏的现象。

图 1 套筒式调节阀典型结构l-阀体 阀盖 套筒4-阀芯5阀杆收稿 日期：2012-06-07基金项目：甘肃省自然科学研究基金计划 (1014RJZA023)作者简介：杨 国来 (1963-)，男 ，教授 ，博士研究生导师，主要从事液压元件及 自动控制方面的教学与科研工作。

第13期 杨国来 等：调节阀阀口设计与仿真分析 ·79-㈩ n K丢c计算得 R 上。lJ，在理想状态下可调比RQmnx ；可得流量系数Q5.09 (m ) (4)Ar 焉 彘 ㈣能力的大小，套筒的窗 口可以为多个、4个、2个或1个。文中所设计调节阀参数如下：公称通径 DN80，最大流量系数Kv-40，可调比R50，阀芯行程为 30 mm。不同开度下的流量系数和开口面积如表1所示。

表 1 流量系数与阀口面积计算值通过计算得到阀口过流面积的大小，就可以确定不同相对开度时套筒的阀口形状，设计阀口如图2所示。由于在歇度时调节阀的调节性能非常差，且实际使用中调节阀两端的压差是随着开口变化而变化的，所以开度在 30% ～80%时流量调节性能最好。

图2 套筒窗口计算尺寸3 数值模拟3.1 流道建模与网格划分计算模型采用图1所示的套筒式调节阀，通过三维建模软件 UG建立调节阀简化结构，进出口直径都为80 mm，套筒窗口尺寸按设计计算值▲行仿真分析前，要对流体部分进行网格划分，通过布尔运算得到调节阀在不同开度下的三维流道图，并保存成. step格式。通过 ICEM进行网格划分，计算网格数为30万。

3.2 Fluent采用的设置将 .msh文件导人 Fluent设置后进行计算。该算例湍流模型采用标准的，c- 模型，离散方程的求解· 80· 机床与液压 第41卷方法，采用非结构网格上的SIMPLE算法，速度压力场采用隐式的全场迭代解法，边界条件规定进口总压力与出口压力 ，进 口压力设置为 1 000 kPa，出口压力设置为900 kPa。设定好上述求解控制方程后，即可求解阀芯不同开度的模型。

3.3 仿真结果与计算通过仿真计算结果可以得出调节阀不同开度下的相对流量系数 ，如表 2所示。

表2 相对流量系数计算得到的流量系数与仿真结果曲线如图3 0。

所示，二者在小 开度 时 0·有-定误差，这是由于 鏖在歇度时 阀门内部结构的流 阻系数对流量 系数的影响较大，仿真过 阿程简化了-些复杂结构， -使流阻减校4 结论相对开度设计流量特性曲线和仿真流量特性曲线(1)套筒式调节阀结构的特殊设计，使得阀芯不平衡力小，稳定性好，不易震荡。在阀口两侧压力固定的情况下，得出套筒式调节阀阀口近似计算式，得到阀口的过流面积。

(2)在实际工况下，调节阀阀口两端的压力会随着开度的变化而改变，即等百分比的固有流量特性在实际工况下会发生畸变，往往会畸变成线性。因此，等百分比固有流量特性的好坏直接影响着调节阀的实际使用性能。

(3)通过 CFD技术，仿真得到的调节阀流量特性曲线与计算的特性曲线非秤近，验证了计算的准确性，缩短了调节阀的设计周期，提高了调节阀的调节性能。