多孔式套筒控制閥節(jié)流孔的設(shè)計

1、| Control Valve Magazine | July 201670Application Story設(shè)計與制造應(yīng)用園地 文/吳建曼 陳志滔 浙江金鋒自動化儀表有限公司The Design of Throttling Holes for Multi-holes Cage Guided Control Valve閥籠節(jié)流孔的設(shè)計引言在工業(yè)自動化流體控制系統(tǒng)中,控制閥是得到廣泛應(yīng)用的流體控制設(shè)備之一,用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量或者壓力參數(shù)。當(dāng)閥門前后壓差較大時介質(zhì)流過控制閥節(jié)流處,由于節(jié)流口面積的急劇變化,流通面積縮小,流速升高,壓力下降,易產(chǎn)生阻塞流,出現(xiàn)閃蒸空化現(xiàn)象,這種現(xiàn)象是誘發(fā)閥內(nèi)件破壞以

2、及噪音的主要原因。當(dāng)閥門前后壓差不大時,介質(zhì)正常流動選用常規(guī)的控制閥即可滿足要求。而當(dāng)壓差較大時,為了降低噪音以及消除氣蝕的破壞,我們必須要采用多孔式套筒控制閥來解決這個問題。多孔式套筒控制閥降壓的原理是采用了帶有多孔式節(jié)流的閥籠,當(dāng)介質(zhì)從各對小孔噴射進去后,介質(zhì)從各閥籠的小孔流過,分擔(dān)總壓差的一部分。各個閥籠的局部壓差能防止液體壓力低于汽化壓力,消除氣泡的形成。根據(jù)閥門前后壓差的不同閥內(nèi)件可設(shè)計成一級降壓,二級降壓,三級降壓,這種閥內(nèi)件的設(shè)計在國內(nèi)外的各個廠家中都是十分常見的。其中最著名的就是Fisher公司的Cavitrol系列閥內(nèi)件(見圖1。對于工程師來說該類型閥內(nèi)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計是不復(fù)雜的

3、只要根據(jù)閥門的腔體將多個套筒閥籠相互嵌套形成一個降壓閥籠組放置在閥體內(nèi)即可;而真正的難點在于如何根據(jù)給定的額定Cv值以及流量特性來確定閥籠上的孔大小,數(shù) 本文介紹如何根據(jù)給定的額定Cv值來對多孔式套筒控制閥閥籠上的節(jié)流孔進行設(shè)計,節(jié)流孔的設(shè)計包括孔大小、數(shù)量以及排列形式的確定。再利用CFD軟件對設(shè)計方法進行流體模擬分析來論證計算方法的準(zhǔn)確性,為廣大控制閥設(shè)計人員提供一種計算方法。圖1 Cavitrol系列閥內(nèi)件量以及排列形式,額定Cv值以及流量特性對于一臺控制閥的調(diào)節(jié)性能是至關(guān)重要的。在筆者與國內(nèi)眾多廠家的技術(shù)人員接觸過程中了解到對于多孔式閥籠節(jié)流孔大小、數(shù)量設(shè)計這一問題上,很多技術(shù)人員給出的

4、設(shè)計依據(jù)是將同口徑閥門的閥籠上節(jié)流孔總面積與傳統(tǒng)套筒控制閥的窗口面積進行比值然后得出Cv值也成正比關(guān)系。由于傳統(tǒng)的套筒控制閥與多孔式的套筒控制閥流阻系數(shù)的不同,將節(jié)流面積與閥門的額定Cv 值成正比關(guān)系作為設(shè)計依據(jù)顯然不夠嚴謹。下面筆者就將對這一問題進行剖析,為廣大控制閥設(shè)計人員提供一種計算方法。設(shè)計原理一臺閥門的總流通能力C v 受兩個因素影響,即閥座的流通能力C Vb 及多孔式閥籠的流通能力C vc 。從理論上講提高C vb 或C vc 可以使閥的C v 增加。但閥座的流通能力C vb 取決于閥的公稱通徑,公稱通徑確定后,一般閥座直徑也就確定了,所以C vb 是定值。閥門的總流通能力可以用以

5、下公式概括:當(dāng)閥籠為一級降壓時,閥門的總流通能力C V :閥座的流通能力C Vb :一級閥籠的流通能力C vc1:C V =1+1C vb 21C vc12C Vb =D b 2K b 4×25.42C Vc1=×n 1D c12K c14×25.422016年7月號總第90期 | 控制閥信息 |71當(dāng)閥籠為二級降壓時,閥門的總流通能力C V :閥座的流通能力C Vb :一級閥籠的流通能力C vc1:二級閥籠的流通能力C vc2:當(dāng)閥籠為三級降壓時,閥門的總流通能力C V :閥座的流通能力C Vb :一級閥籠的流通能力C vc1:二級閥籠的流通能力C vc2:三級

6、閥籠的流通能力C vc3:其中:D b 閥座的內(nèi)孔直徑,單位為mm K b 閥的總流通系數(shù),無量綱D c1、D c2、D c3分別代表一級、二級、三級閥籠節(jié)流孔直徑,單位為mmK c1、K c2、K c3分別代表一級、二級、三級閥籠的流通系數(shù),無量綱n 1、n 2、n 3分別代表一級、二級、三級閥籠節(jié)流孔數(shù)量以上公式中K b 、K c1、K c2、K c3的取值可按表1和表2選取。實際案例已知介質(zhì)為水,溫度為40,閥前壓力P 1=2.8Mpa(G,閥后壓力P 2=0.3 Mpa(G,最大、正常、最小流量分別為1650m 3/h,1280m 3/h, 備注:流通系數(shù)與閥體流道相關(guān),以上表格數(shù)值為

7、筆者所在企業(yè)的試驗數(shù)值。其他廠家在進行設(shè)計計算時也可借鑒這些數(shù)值,總體出入不會太大。備注:閥門的壓力恢復(fù)系數(shù)FL 取0.9,可調(diào)比R 取50.650m 3/h,流量特性要求為直線特性;我們將以上的參數(shù)輸入控制閥選型軟件里面進行計算,得到計算結(jié)果如下(見圖2。從以上計算結(jié)果我們可知,該工況下介質(zhì)在流經(jīng)控制閥時已經(jīng)出現(xiàn)閃蒸空化現(xiàn)象,而且噪音較大。因此我們選型采用一級降壓多孔式套筒控制閥,閥門的額定Cv值為480,流量特性為線性。接下來我們將根據(jù)這兩個參數(shù)來對閥籠進行設(shè)計。1、確定節(jié)流孔的直徑;根據(jù)筆者的設(shè)計經(jīng)驗考慮到閥門的調(diào)節(jié)精度,降壓效果,流動干涉以及排列分布等因素圖2 選型軟件計算結(jié)果對于不同

8、口徑的閥門,節(jié)流孔的直徑可按表3選取。2、確定閥門口徑、閥座直徑;我們選擇的閥門口徑為250mm,閥座直徑D b =250mm。3、閥門總流通系數(shù)、閥籠流通系數(shù)的確定;根據(jù)上文所述的選取方法,K b =19.7,K c1=314、根據(jù)上文提到的公式,經(jīng)過初步計算之后,結(jié)果如下:節(jié)流孔直徑D c1=10mm,一排孔為6個,總共為22排(必須為偶數(shù),總孔數(shù)n 1=132。下面我們對初步計算結(jié)果進行驗證。C V =1+1C vb 21C vc121C vc22C V =1+1C vb 21C vc121C vc221C vc32C Vb =D b 2K b 4×25.4C Vb =D b

9、2K b4×25.42C Vc1=×n 1D c12K c14×25.42C Vc1=×n 1D c12K c14×25.4C Vc2=×n 2D c22K c24×25.4C Vc3=×n 3D c32K c34×25.42C Vc2=×n 2D c22K c24×25.42| Control Valve Magazine | July 2016721、采用的C V 值計算公式如下:C V =1.156×10×Q× /P 其中:Q為體積流量,單位為m 3

10、/h;為水的相對密度(取=1;P為壓力差值,單位為Kpa;2、我們利用軟件模擬形式試驗時的試驗條件,在軟件中定義樣機的入口閥座的流通能力將已知的參數(shù)帶入公式,得到C Vb =1499一級閥籠的流通能力將已知的參數(shù)帶入公式,得到C vc1=498閥門的總流通能力將已知的參數(shù)帶入公式,得到C V =473備注:由于考慮到節(jié)流孔的排列分布,節(jié)流孔需要對稱等因素。最終的閥門額定Cv值不可能與選擇Cv值一模一樣,我們認為只要重合率在95%以上我們就視為設(shè)計合理。5、節(jié)流孔的排列分布;節(jié)流孔排列分布時我們必須按照兩個原則,首先必須按照流量特性排列。其次閥芯在動作的過程中節(jié)流面積始終要有變化,不能出現(xiàn)斷流的

11、情況。我們根據(jù)以上兩個原則對上述例子的閥籠節(jié)流孔進行排列,排列分布結(jié)果(見圖3,圖4。CFD軟件模擬分析為了驗證以上的計算方法是否準(zhǔn)確,我們利用CFD軟件Ansys 的Fluent 對這個案例進行流體模擬計算。圖3 直線特性節(jié)流孔排列圖4 等百分比特性節(jié)流孔排列圖5 流道計算區(qū)域圖6 開度為30%模擬計算結(jié)果圖7 開度為90%模擬計算結(jié)果備注:當(dāng)流量特性為等百分比時,排列的節(jié)流孔流量特性只能為近似等百分比。處體積流量Q,出口處的壓力P 2設(shè)置為0,求閥門的入口處壓力P 1,再由求得的P 1-P 2得到P的值,再根據(jù)公式計算出樣機的額定C v 值,該過程也正好與形式試驗時求解額定C v 值的過程

12、相同。3、我們利用UG三維實體建模軟件,建立樣機的三維模型,所建的實Application Story設(shè)計與制造應(yīng)用園地C Vb =D b 2K b4×25.42C Vc1=×n 1D c12K c14×25.42C V =1+1C vb 21C vc12132-10132-102016年7月號總第90期 | 控制閥信息 |73 我們對閥門幾個開度下的情況進行模擬,計算結(jié)果如表4所示:從表4的模擬結(jié)果可知,在開度為100%時閥門的額定Cv值為480,與我們設(shè)計要求的473有差異,但是差異很小,并不會影響閥門在實際工況中的使用。這說明了我們上述推薦的計算方法是準(zhǔn)確的,可以適用于多孔式控制閥閥籠的設(shè)計與計算。結(jié)語多孔式套筒控制閥是一種在平時選型中使用十分普遍的控制閥,其閥籠的節(jié)流孔設(shè)計是保證整臺閥門調(diào)節(jié)精確以及運行穩(wěn)定的關(guān)鍵。本文筆者根據(jù)自己的多年設(shè)計經(jīng)驗,介紹了一種設(shè)計計算的方法,并舉例一級降壓閥籠的節(jié)流孔設(shè)計做了說明,最后利用CFD流體模擬技術(shù)對計算方法的準(zhǔn)確性做了驗證?？紤]到篇幅關(guān)系,二級、三級降壓閥籠節(jié)流孔設(shè)計不再做舉例,讀者可以根據(jù)文章中推薦的公式以及參數(shù)進行舉一反三設(shè)計。限于筆者的能力與水平,文中如有不當(dāng)之處敬請指正,筆者將不勝感