（化工过程机械专业论文）v形调节球阀的数值模拟及结构优化.pdf

摘要 v 形球阀作为最早设计h ：的调节性阀门，经过了很长时i j 的使j j j ，制造的技 术已经成熟。v 形球阀的：i ：作原理足通过旋转连接阀芯的控制轴，摔制球闷的旋 转j i ：度，从而使阀：签上的v 形丌门与流体的流道形成了大小f ih 的流通俄嘶移 。 以此来改变流体的流量大小。 v 形球阀的实际流甓和可调比的人小，都与理想化条件下的流鞋和l j 凋比仃 很人的不州。为了使v 形调节球阀能够满足币常的，l 产，生活的需要，必须对其 流吧i - c 的入小，流量的凋宵特性熟悉了解，彳1 能设计制造f 满足需要的驹节璎球阀。 v 彤调节球阀适用丁：需要流体流量调节的场所。并且由r 其v 彤 l 1 的设汁， 使j ，f i 很好的切断作用，适用。- r 一些粘度较高的流体介质。本次课题的l i 要内 容足通过对v 彤调1 了球阀的数值模拟计算，对其流景人小，流 t 特性进i ，分析， ：找一种有良好的凋节特性的v 彤球阀结构。 通过已有的c a d 图纸将所需要的数据参数列出，并在，一二维建摸软件 s olid w o r k sf 建立校型，通过柏吒之间的配合关系生成装配图。 对v 形调竹球阀进行分析，简化球阀的模型，将生成的球阀的流通的数f f i 模 艰导入c f d 软件巾进行数值模拟计算，得出v 形球阀在各个j ：度卜的流 建大小。 将计算得剑的数掘与实验所得的数据相比较，财v 形球阀的结构进 j ：优化改 汁，通过数值计算分析优化结果，确定最优化设 十力案。 阀i 、j 结构的优化是一项- f 常复杂的工作，以往需要人逯的，反复的试验进 j ： 比较计算，耗费大量的人力、物力、财力。奉课题住阀门设计t ，利川数值模拟计 算办法，通过在计算机上建立模型结构，进行数值计算，数值模拟计算结果试 验测试结果村 符合，为阀门的设计计算节约了很大的成本。冈此数值模拟计算代 棒传统的实验设计的方法足真实可行的。 关键词：v 形球阀、数值模拟、结构优化、模型。 v 刑调1 t 球闷f n 数伉使拟及f , v i 构优化 i i ab s t r a c t v b a l lv a l v ei st h ef i r s tv a l v ed e s i g no ft h er e g u l a t o r ，a f t e rav e r yl o n gt i m e u s a g e ，t h em a n u f a c t u r et e c h n o l o g yi sa l r e a d ym a t u r e d v b a l lv a l v eo p e r a t e sb yt h e c o n t r o lo ft h er o t a t i o na x i sc o n n e c t e dt ot h es p o o l ，c o n t r o lt h er o t a t i o no ft h eb a ll v a l v eo p e n i n g ，s ot h a tt h ev s h a p e do p e n i n go ft h es p o o lw i t ht h ef l u i df l o wt of o r m c i r c u l a t i o nc r o s s s e c t i o n a la r e ao fd i f f e r e n ts i z e s s oa st oc h a n g et h es i z eo ft h e f l u i df l o w a c t u a l l y ，t h ea c t u a lf l o wa n dr e g u l a t i n gr a t i oo ft h ev b a l lv a l v e ，a r ev e r y d if f e r e n tf r o mt h o s eo ft h ei d e a lc o n d i t i o n s 。i no r d e rt om a k ev - s h a p e dr e g u l a t i o n b a l lv a l v em e e tt h en o r m a lp r o d u c t i o na n dl i f en e e d ，w em u s tb ef a m i l i a rw i t ht h e s i z eo fi t sf l o w ，a n dt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e g u l a t i o n ，s ot h a tw ec a n d e s i g na n dm a n u f a c t u r eas u i t a b l ev s h a p e dr e g u l a t i o nb a l iv a l v e v s h a p e dr e g u l a t i o nb a l lv a l v ea p p l yt ot h ep l a c en e e d i n gr e g u l a t i n gf l u i df l o w b e c a u s eo fi t sv s h a p e do p e n i n g 。t h ev a l v eh a st h ev e r yg o o dc u t - o u tf u n c t i o n s u i t a b l ef o rt h eh i g hv i s c o s i t yf l u i d s t h ei s s u et h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h e s i z eo fi t sf l o wo nt h ev s h a p e dr e g u l a t i o nb a l lv a l v e ，a n a l y s et h ef l o ws i z ea n dt h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，f i n das t r u c t u r eo ft h ev b a l lv a l v eh a v i n gg o o dr e g u l a t i o n c h a r a c t e r is t i c s o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gc a d d r a w i n g s ，l i s tt h ed a t ap a r a m e t e r sw h i c hn e e d ， a n du n d e rt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r es o l i d w o r k sb u i l d i n gm o d e l ， t h r o u g hc o o r d i n a t er e l a t i o n sp r o d u c ea s s e m b l yd r a w i n g s a n a l y z ev - s h a p e dr e g u l a t i o nb a l lv a l v e ，s i m p l i f yt h em o d e lb a l lv a l v e ，t h e np u t t h en u m e r i c a lm o d e lo ft h ef l o wg e n e r a t e di n t oc f ds o f t w a r ef o rn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，o b t a i nv b a l lv a l v eo p e n i n gi na l lt h es i z eo ft h ef l o w c o m p a r e dw i t ht h ec a l c u l a t ed a t a sa n de x p e r i m e n t a ld a t a s ，o p t i m a ld e s i g nt h e s t r u c t u r eo fv s h a p e dr e g u l a t i o nb a l lv a l v e ，t h r o u g ht h en u m e r i c a la n a l y s i so ft h e o p t im i z a t i o nr e s u l t ，f i n a l l y ，d e t e r m i n et h eo p t i m a ld e s i g n 。 o p t i m a ld e s i g no ft h ev a l v es t r u c t u r e i sav e r yc o m p l e xt a s k ，i nt h ep a s t r e q u i r e dal a r g ea m o u n to fr e p e a t e dc o m p a r i s o no ft h et e s tc a l c u l a t i o n ，s p e n tal o to f m a n p o w e r ，m a t e r i a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e s o nt h ev a l v ed e s i g n ，t h ei s s u et h r o u g h t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ec h a n g et h es i t u a t i o n t h r o u g he s t a b l i s h i n gf l c o m p u t e rm o d e lo ft h es t r u c t u r en e e d e d ，c a r r yo u tn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，f i n dt h e i v f l u i df l o wi nl i n ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o nv e r ym u c h ，a n ds a v eag r e a td e a ld e s i g n c o s t s oi ti s v e r yf e a s i b l e t ou s en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e p l a c et h et r a d i t i o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g n k e yw o r d s ：v - b a l lv a l v e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，m o d e l v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特另, j j m 以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：如晚赤 日期：歹矿4m 月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 。作者签名：彳弼屹孝日期：) 伊乡年莎月乡日 导师签名：z 鳓翌 日期：矽产月夕日 硕十产伊论文 第1 章绪论 1 1 阀门介绍及国内外发展现状 1 1 1阀门简介 阀门是国民经济建设中使用广泛的一种机械产品。随着我国改革开放、建立 社会主义市场经济和开展对外贸易的需要，在石油化工、水利水电、食品医药以 及国防生产等行业里都需要大量的阀门新品种。 阀门是管路流体输送系统中的控制部件，它是用来改变通路断面和介质流动 方向，具有导流、截止、调节、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。 用于流体控制的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各 种阀门，其品种和规格繁多，阀门的公称通径从极微小的仪表阀到通径达1o m 的 工业管路用阀。阀门可用于控制水、蒸汽、油品、气体、泥浆、各种腐蚀性介质、 液态金属和放射性流体等各种类型流体的流动，阀门的工作压力可从 1 3 3 x lo - s m p a 至010 0 0 m p a ，工作温度从2 6 9 的超低温到1 4 3 0 的高温，甚至高 达3 4 3 0 。阀门的控制可采用多种传动方式，如手动、电动、液动、气动、蜗轮、 电磁动、电磁液动、电液动、气液动、正齿轮、伞齿轮驱动等；可以在压力、 温度或其它形式传感信号的作用下，按预定的要求动作，或者不依赖传感信号而 进行简单的开启或关闭，阀门依靠驱动或自动机构使启闭件作升降、滑移、旋摆 或回转运动，从而改变其流道面积的大小以实现其控制功能。 1 1 2阀门的用途 阀门作为一种管路附件，是用来改变流通截面积和流体介质流动方向，控制 输送介质运动的一种装置。具体讲，阀门有以下几种用途： 截断接通或截断管路中的介质。如闸阀、截止阀、球阀、旋塞阀、隔膜 阀、蝶阀等。 调节调节管路中介质的流量和压力。如节流阀、调节阀、减压阀、安全 阀等。 分流改变管路中介质的流动方向，用于分配、分离或混合介质。如分配 阀、三通旋塞阀、三通或四通球阀、疏水阀等。 1 1 3阀门的分类 v 形调节球阀的数值梗拟及结构优化 阀门的种类繁多，随着各类成套设备工艺流程和性能的不断改进，阀门种类 还在不断增加，但总的来说可分为两大类： 自动阀门依靠介质( 液体、气体、蒸汽等) 本身的能力而自行动作的阀门。 如安全阀、止回阀、减压阀、疏水阀、水力控制阀、紧急切断阀、排气阀等。 驱动阀门借助手动、电动、液动和气动来操纵的阀门。如闸阀、截止阀、 节流阀、蝶阀、球阀、平衡阀、柱塞阀、旋塞阀等。 阀门依靠自动或驱动机构使启闭件升降、滑移、旋摆或回转运动，从而改变 其流道面积的大小，以实现其控制功能。 1 1 4阀门国内外发展现状 据不完全统计，我国的阀门产品品种已达到四千多个型号，近万个规格。随 着新的工艺流程和控制要求的出现、阀门现代技术的应用、技术参数和技术性能 的不断发展、生产过程的自动化要求的需要，将会对阀门产品提出新的要求。 “十一五”期间，阀门行业研制了为石油化工大型吸附分子装置配套的关 键核心设备2 4 通旋转阀；为石油化工、食品、制药气力输送系统中的关键配套 设备固体物料气力输送用阀门( 旋转加料器、输送换向阀、滑板阀) ，并形成生产 能力，在以国代进方面取得良好效果；为发电、冶金、化工和工业给排水方面开 发生产了新一代高性能密封的三偏心复合圈金属密封蝶阀，公称通径达2 0 0 0 m m 。 开发了为硫磺制酸、硫铁矿制酸、烟气制酸及有色冶炼、黑色冶炼、石化、电力 等系统的高炉配风、锅炉出口及其他高温管路作为控制调节阀使用的1 2 0 0 高温 蝶阀；为核工业的发展，开发了上装式核电球阀、核燃料提取用的软硬密封高真 空电磁和手动耐压阀；为长输管线开发和生产了g k 型管线球阀；为提高阀门使 用寿命，开发了适用于电站排灰的镶嵌耐磨陶瓷密封圈的闸阀、球阀、调节阀。 此外还开发生产了高温高压y 型波纹管截止阀、低温波纹管氯气阀、亚临界和超 临界高温高压截止阀、生物抗菌隔膜阀等等，这些新产品填补了国内阀门产品的 空白【2 1 。 在市场方面，经过多年的发展，阀门行业生产厂家迅速增加，阀门生产水平 有了较大提高，阀门产量有了大幅度增加。阀门的主要产品基本上能满足国内市 场的需要，阀门市场的成套率、成套水平和成套能力都有较大提高。 在石油化工领域中乙烯裂解气用高温阀门是8 0 万吨乙烯装置裂解炉出口管 线必备阀门。我国阀门企业应针对这种情况，开发研制裂解气用阀门。此外，大 口径高压球阀、大1 3 径输油管线球阀、液化天然气用低温阀门也有较大需求。 大型煤液化工程关键设备的煤液化装置中涉及到大量高要求的特殊阀门产 品。煤液化项目的启动和建设关系到国家能源安全问题，阀f - j 制造业开始高温、 2 硕十学伊论文 高压耐磨阀门产品的研制，以满足煤液化项目对阀门的需求。 南水北调工程需要大量大口径闸阀、特殊方形闸阀、特殊蝶阀以及水泵站配 套阀门。环保工程中城市污水处理设备、燃煤气脱硫设备、城市生活垃圾无害化、 资源化设备等用的阀门以及城市化建设、房地产建设用的水暖阀门等都将是阀门 新的研制方向。 改革开放以来，我国阀门行业得到了快速发展，生产厂家迅速增加，阀门生 产水平有了较大提高，阀门产量有了大幅度增加。阀门的主要产品基本上能满足 国内市场的需要，阀门市场的成套率、成套水平和成套能力都有较大提高。但各 类阀门的可靠性和配套能力与国际水平仍有较大的差距。为了能够设计制造出更 加先进，更加精确的阀门，现在运用计算流体力学来在计算机上对于阀门的实际 情况进行数值模拟，对流体通过阀门时的流动状态，压力状态，速度状态等一系 列情况进行数值仿真计算、测量所需要的参数，数据。再与试验条件下所完成具 体试验测量计算相比较，通过对比计算数据与试验数据的比较来找出阀门设计上 面的不足之处，从而使得阀门的设计更加的合理，更加的精确【3 1 。 1 1 5调节阀介绍 调节阀主要用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控 制阀门的开度，从而实现对介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、 气动调节阀和液动调节阀。 流通能力c v 是选择调节阀的主要参数之一，调节阀的流通能力的定义为： 当调节阀全开时，阀两端压差为0 1 m p a ，流体密度为1 0 0 0 k g m 3 时，每小时流经 调节阀的流量数，称为流通能力，也叫流量系数，以c v 表示，单位为k g h 。 调节阀属于控制阀系列，是工艺管路中最终的控制元件。调节阀按行程特点 可分为：直行程和角行程。直行程包括：单座阀、双座阀、套筒阀、角形阀、三 通阀、隔膜阀；角行程包括：蝶阀、球阀、偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀。 调节阀按驱动方式可分为：气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀；按调节形式 可分为：调节型、切断型、调节切断型；按流量特性可分为：线性、等百分比、 抛物线、快开。调节阀适用于空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品等 介质【4 1 。 1 1 6调节阀的发展历史 1 1 6 1 调节阀的发展历史 调节阀的发展与工业生产过程的发展密切相关。远古时期，人们为了调节 v 形调节球阀的数值模拟及结构优化 河流或小溪的水流量，采用大石块或树干来阻止水的流动或改变水的流动方向。 埃及和希腊文明发明了几种原始的阀门类型，用于农作物灌溉等。但是，普遍公 认是古罗马人为了农作物灌溉而开发了相当复杂的水系统，采用旋塞阀和柱塞 阀，并使用止逆阀防止水的逆流。文艺复兴时期，在艺术家和发明家达芬奇 ( l e o n a r d od a v i n c ) 设计的沟渠、灌溉项目和其他大型水力系统项目中使用了阀 门，他的许多技术方案现在仍实际存在。阀门工业的现代历史与工业革命并行， 随着工业革命的深入，17 0 5 年，纽康曼( t h o m a sn e w c o m e n ) 发明第一台工业蒸汽 发动机，对蒸汽发动机的运行提出了控制要求，瓦特( j a m e sw a t t ) 发明了第一台 调节转速的控制器，其后，对流体流量的控制越来越被人们重视。最早的调节阀 是18 8 0 年由w i l l i a m f i s h e r 帛0 造的泵调节器，这是一种带重锤的自力式调节阀，当 阀后压力增大时，在重锤作用下，使调节阀开度减小，从而达到稳定压力的控制 效果。 在2 0 世纪2 0 - - 一3 0 年代，调节阀以阀体形状为球形的球形阀( b a l lv a l v e ) 为主， 其后，以v 形缺口( v n o t c h ) 的单座( s i n g l e p o r t ) 矛l ：l座( d o u b l e - p o r t e d ) 调节阀( g l o b e v a l v e ) 问世。4 0 年代相继出现适用于高压介质的角形调节阀( a n g l ev a l v e ) 、用于腐 蚀性介质的隔膜调节阀( b a r r i e rd i a p h r a g mv a l v e ) 和用于大流量应用的蝶阀 ( b u t t e r f l yv a l v e ) 等，并研制了阀门定位器( v a l v ep o s i t i o n e r ) 等产品。1 9 4 9 年在德国 l e v e r k u s e n 成立了化学和石化工业的第一个专业协会一测量与控制标准协会 n a m u r ( n o r m e na r b e i t s g e m e i n - - s c h a f tm e b u n dr e g e l t e c h n i k ) ，并开展标准的制 定工作。5 0 6 0 年代出现了三通调节阀( t h r e e w a yv a l v e ) ，用于配比控制和旁路控 制，也进一步展开对球阀的研究，出现了适用于大压差和降低噪声的套筒调节阀 ( c a g ev a l v e ) 。7 0 年代套筒调节阀被广泛应用于工业生产过程的控制，研制的偏心 旋转阀( e c c e n t r i cp l u gv a l v e ) 成为角行程调节阀的佼佼者。偏心旋转阀具有良好的 密封性、大的流通能力，可应用于较大压差场合。8 0 年代开始，各种精小型调节 阀诞生，它对调节阀执行机构进行的改革使调节阀的重量和高度下降，流通能力 提高。9 0 年代开始，随着计算机控制装置的广泛应用，对智能调节阀的要求也越 来越强烈，相继诞生各种智能电气阀门定位器和带智能阀门定位器的现场总线调 节阀。2 l 世纪初，现场总线调节阀得到应用，随着控制功能的下移，对调节阀的 要求也越来越高。 调节阀与工业生产过程控制的发展同步进行。为提高控制系统的控制品质， 对组成控制系统各组成环节提出了更高要求。例如，对检测元件和变送器要求有 更高的检测和变送精确度，要有更快的响应和更高的数据稳定性；对调节阀等执 行器要求有更小的死区和摩擦，有更好的复现性和更短的响应时间，并能够提供 补偿对象非线性的流量特性等。同时，由于工业生产过程的大型化和精细化，对 调节阀等也提出了更高要求。 4 硕+ 学伊论文 1 1 6 2 我国调节阀现状 我国调节阀工业生产的起步较晚。在2 0 世纪6 0 年代开始研制单座阀、双座阀 等产品，主要是仿制前苏联的产品。由于机械工业落后，机械加工精度低，因此， 产品泄漏量较大，但尚能满足当时工业生产过程的一般控制要求。7 0 年代开始， 随着工业生产规模的扩大，工业过程控制要求的提高，一些调节阀产品已不能适 应生产过程控制的要求，例如对高压力、高压降、低温、高温和腐蚀等介质的控 制要求。为此，一些大型石油化工企业在引进设备的同时，也引进了一些调节阀， 例如带平衡阀芯的套筒阀、偏心旋转阀等，为国内的调节阀制造厂商指明了开发 方向。因此，7 0 年代后期，一些制造厂已开始仿制偏心旋转阀等产品。8 0 年代开 始，随着我国改革开放政策的贯彻和落实，一些调节阀制造厂引进了国外著名调 节阀厂商的技术和产品，使我国调节阀产品的品种和质量得到明显提高。例如， 生产出各种类型的套筒阀、偏心旋转阀，并开始研制精小型调节阀。随着大型电 站等工业项目的进行，也研制了各种电液执行机构、长行程执行机构等执行机构， 以适应大推力和大推力矩、长行程等控制要求。9 0 年代开始，我国的调节阀工业 也在引进和消化国外的先进技术后开始飞速发展，一些合资和外资的调节阀生产 厂相继生产有特色的产品，填补了一些特殊工业控制的空白，使我国调节阀工业 的水平大大提高，缩短了与国外的差距。随着现场总线技术的应用，在2 l 世纪初， 采用现场总线技术的调节阀产品问世，国外一些现场总线的调节阀和相关的产 品，例如智能阀门定位器等，开始在国内一些新建工程中应用，国内一些厂商也 开始研制有关产品【5 6 j 。 1 1 6 3 调节阀发展的特点 1 ) 调节阀的发展与工业生产过程控制的发展密切相关。例如：单座阀的不 平衡力大，不能适应工业生产过程高压差的控制要求，为此，研制了带平衡阀芯 的套筒阀；当调节阀噪声已成重要环境污染时，不少具有降噪功能的调节阀和降 噪的阀内件应运而生；当工业生产过程对高温、低温和泄漏等有定要求时，诞 生了适应高温和低温的伸长型阀盖和用波纹管密封的阀盖等。 2 ) 调节阀的发展与提高产品质量，降低原材料消耗等紧密结合，使调节阀 产品的品种更新和增加，功能扩展，适应面越来越广。例如，调节阀的品种有单 座阀、双座阀、三通阀、角形阀、套筒阀、阀体分离阀、隔膜阀、高压阀、偏心 旋转阀、偏心阀板阀、蝶阀、闸阀等；执行机构有气动薄膜执行机构、气动活塞 执行机构、气动精小型薄膜执行机构、气动长行程执行机构、电动执行机构、电 液执行机构、齿轮执行机构等；阀门定位器有气动阀门定位器、电气阀门定位器、 v 形调节球阀的数值梗拟及结构优化 智能电气阀门定位器等。 3 ) 调节阀的发展使工业应用更方便、灵活、可靠。调节阀设计计算采用更 适合的计算公式；调节阀的安装和维护变得更方便；调节阀阀内件设计，例如流 路设计、材质选用、降噪设计等，使工业应用面更广泛，使用更可靠【7 1 。 1 1 7调节阀的发展方向 1 1 7 1 调节阀应用中存在的问题 1 ) 调节阀的品种多，规格多，参数多。调节阀为适应不同工业生产过程的 控制要求，例如温度、压力、介质特性等，有近千种不同规格、不同类型的产品， 使调节阀的选型不方便、安装应用不方便、维护不方便、管理不方便。 2 ) 调节阀的可靠性差。调节阀在出厂时的特性与运行一段时间后的特性有 很大差异，例如，泄漏量增加、噪声增大、阀门复现性变差等，给长期稳定运行 带来困难。 3 ) 调节阀笨重，给调节阀的运输、安装、维护带来不便。通常，调节阀重 量比一般的仪表重量要重几倍到上百倍，例如，一台d n 2 0 0 的调节阀重达7 0 0 k g ， 运输、安装和维护都需要动用一些机械设备才能完成，给调节阀的应用带来不便。 4 ) 调节阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品质 变差。调节阀的理想流量特性已在产品出厂时确定，但工业过程被控对象特性各 不相同，加上压降比变化，使调节阀工作流量特性不能与被控对象特性匹配，并 使控制系统控制品质变差。 5 ) 调节阀噪声过大。工业应用中，调节阀噪声已成为工业设备的主要噪声 源，因此，降低调节阀噪声成为当前重要的研究课题，并得到各国政府的重视。 6 ) 调节阀是耗能设备，在能源越来越紧缺的当前，采用节能技术，降低调 节阀的能耗，提高能源的利用率。 1 1 7 2调节阀的发展方向 调节阀的发展方向主要为智能化、标准化、精小化、旋转化和安全化。 1 ) 智能化调节阀的智能化主要采用智能阀门定位器。智能化调节阀主要优 点表现在下列方面。 调节阀的自诊断，运行状态的远程通信等智能功能，使调节阀的管理方便， 故障诊断变得容易，也降低了对维护人员的技能要求。 减少产品类型，简化生产流程。采用智能阀门定位器不仅可方便地改变调 节阀的流量特性，也可提高控制系统的控制品质。因此，对调节阀流量特性的要 6 硕十学伊论文 求可简化及标准化( 例如，仅生产线性特性调节阀) 用智能化功能模块实现与被控 对象特性的匹配，使调节阀产品的类型和品种大大减少，使调节阀的制造过程得 到简化，并在生产和市场中经受考验和认可。 数字通信。数字通信将在调节阀中获得广泛应用，以h a r t 通信协议为基 础，一些调节阀的阀门定位器将输入信号和阀位信号在同一传输线实现；以现场 总线技术为基础，调节阀与阀门定位器、p i d 控制功能模块结合，使控制功能在 现场级实现，使危险分散，使控制更及时、更迅速。 智能阀门定位器。智能阀门定位器具有阀门定位器的所有功能，同时能够 改善调节阎的动态和静态特性，提高调节阀的控制精度，因此，智能阀门定位器 将在今后一段时间内成为重要的调节阀辅助设备被广泛应用。 2 ) 调节阀的标准化表现在下列方面。 为了实现互换性，使同样尺寸和规格的不同厂商生产的调节阀能够互换， 使用户不必为选择制造商而花费大量时间。 为了实现互操作性，不同制造商生产的调节阀应能够与其他制造商的产品 协同工作，不会发生信号的不匹配或阻抗的不匹配等现象。 标准化的诊断软件和其他辅助软件，使不同制造商的调节阀可进行运行状 态的诊断，运行数据的分析等。 标准化的选型程序。调节阀选型仍是自控设计人员十分关心的问题，采用 标准化的计算程序，根据工艺所提供数据，能够正确计算所需调节阀的流量系数， 确定配管及选用合适的阀体、阀芯及阀内件材质等，使设计过程标准化，提高设 计质量。 3 ) 精小化为降低调节阀的重量，便于运输、安装和维护，调节阀的精小化 采用了下列措施。 采用精小型执行机构。采用轻质材料，采用多组弹簧替代一组弹簧，降低 执行机构高度。通常，精小型气动薄膜执行机构组成的调节阀比同类型气动薄膜 执行机构组成的调节阀高度要降低约3 0 ，重量降低约3 0 ，而流通能力可提高 约3 0 。 改变流路结构。例如，将阀芯的移动改变为阀座的移动，将直线位移改变 为角位移等，使调节阀体积缩小，重量减轻。 采用电动执行机构。不仅可减少采用气动执行机构所需的气源装置和辅助 设备，也可减少执行机构的重量。例如，f i s h e r 公司的9 0 0 0 系列电动执行机构， 其2 0 型的高度小于3 3 0 m m ，使整个调节阀( 带数字控制器和执行机构) 质量降低到 2 0 3 2 k g 。 4 ) 旋转化用于旋转类调节阀，例如球阀等，有相对体积较小、流路阻力较 小、可调比较大、密封性较好、防堵性能较好、流通能力较大等优点，因此，在 v 形调节球阀的数伉模拟及结构优化 调节阀新品种中，旋转阀的比重增大。特别是大口径管道中，普遍采用球阀、蝶 阀等类型调节阀，从国外近年的产品看，旋转阀应用的比例正逐年增长。 5 ) 安全化仪表控制系统的安全性已经得到各方面的重视，安全仪表系统( s i s ) 对调节阀的要求也越来越高，表现在以下几方面。 对调节阀故障信息诊断和处理要求提高，不仅要对调节阀进行故障发生后 的被动性维护，而且要进行故障发生前的预防性维护和预见性维护。因此，对组 成调节阀的有关组件进行统计和分析，及时提出维护建议等变得更重要。 对用于紧急停车系统或安全联锁系统的调节阀，提出及时、可靠、安全动 作的要求。确保这些调节阀能够反应灵敏、准确。 对用于危险场所的调节阀，应简化认证程序。例如，对应用的现场总线仪 表，可简化为采用f i s c o 现场总线本质安全概念，使对本安产品的认证过程简化。 与其他现场仪表的安全性类似，对调节阀的安全性，可采用隔爆技术、防 火技术、增安技术、本安技术、无火花技术等；对现场总线仪表，还可采用实体 概念、本安概念、f i s c o 概念和非易燃( f i n c o ) 概念等。 6 ) 节能降低能源消耗，提高能源利用率是调节阀的一个发展方向。主要有 下列几个发展方向。 采用低压降比的调节阀。使调节阀在整个系统压降中占的比例减少，从而 降低能耗，因此，设计低压降比的调节阀是发展方向之一；另一个发展方向是采 用低阻抗调节阀，例如采用蝶阀、偏心旋转阀等。 采用自力式调节阀。例如，直接采用阀后介质的压力组成自力式控制系统， 用被控介质的能量实现阀后压力控制。 采用电动执行机构的调节阀。气动执行机构在整个调节阀运行过程中都需 要有一定的气压，虽然可采用消耗量小的放大器等，但日积月累，耗气量仍是巨 大的。采用电动执行机构，在改变调节阀开度时，需要供电，在达到所需开度时 就可不再供电，因此，从节能看，电动执行机构比气动执行机构有明显节能优点。 采用压电调节阀。在智能电气阀门定位器中采用压电调节阀，只有当输出 信号增加时才耗用气源。 采用带平衡结构的阀芯，降低执行机构推力或推力矩，缩小膜头气室，降 低能源需要。 采用变频调速技术代替调节阀。对高压降比的应用场合，如果能量消耗很 大，可采用变频调速技术，采用变频器改变有关运转设备的转速，降低能源消耗。 7 ) 保护环境环境，污染已经成为公害，调节阀对环境的污染主要有调节阀 噪声和调节阀的泄漏。其中，调节阀噪声对环境的污染更是十分严重。 降低调节阀噪声。研制各种降低调节阀噪声的方法，包括从调节阀流路设 计到调节阀阀内件的设计，从噪声源的分析到降低噪声的措施等。主要有设计降 8 石页十学伊论文 曼皇i iiii mi i ii ii i i 皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼 噪调节阀和降噪调节阀阀内件；合理分配压降，使用外部降噪措施，例如，增加 隔离、采用消声器等。 降低调节阀的大气污染。调节阀的大气污染指调节阀的“跑”、“冒”、“滴”、 “漏”，这些泄漏物不仅造成物料或产品的浪费，而且对大气环境造成污染，有时， 还会造成人员的伤亡或设备爆炸等事故。因此，研制调节阀填料结构和填料类型、 研制调节阀的密封等将是调节阀今后一个重要的研究课题。 计算机科学、控制理论和自动化仪表等高新科学技术的发展推动了调节阀的 发展，例如，现场总线调节阀和智能阀门定位器的研制、数字通信在调节阀的实 现等。调节阀的发展也推动了其他科学技术的发展，例如，对防腐蚀材料的研究、 对削弱和降低噪声方法的研究、对流体动力学的研究等。随着现场总线技术的发 展，调节阀也将开放、智能和更可靠，它将与其他工业自动化仪表和计算机控制 装置一起，使工业生产过程控制的功能更完善，控制的精度更高，控制的效果更 明显，并为我国现代化建设发挥更重要的作用【8 ，9 j 。 1 2 课题研究的意义 ，v 形调节球阀是过程控制系统中根据控制信号对通过物料的压力、温度、流 量进行调节，从而控制生产过程所需的物料或能量供给。v 形球阀是化工、石油、 电力、纺织等工业生产的主要控制设备，品种多规格多参数多，为适应不同 的工业生产过程控制有近千种 不同规格、不同类型的产品。调 节阀的工作原理如图1 1 所示。 随着科技的进步，不同的工 业生产过程的控制，对调节阀的 调节性能( 温度，压力、介质特性 等) 提出了不同的要求，国内外调 节阀技术的发展非常迅速，工程 图1 1 调节阀工作原理 应用对阀门的质量要求也越来越高。阀门的水力特性对于指导阀门设计至关紧 要。然而在阀门流道中普遍存在湍流、分离、气穴等复杂的流动现象。使其水力 特性的理论分析与预测有很大困难。长期以来，阀门水力特性的研究几乎完全靠 试验测定。由大量实验归纳总结得到的图表和经验公式、数据是设计人员的主要 依据。由于阀门种类繁多、即使同一类型的内部结构也会有较大差异，且产品更 新快。因此，根据以往产品的试验结果取得的数据资料来设计新产品往往带有很 大误差。这是影响调节阀门新产品开发的关键因素。 目前，国内调节阀行业科研开发能力仍较弱，基本停留在经验设计的方法上， 9 v 形调节球阀的数值移拟及结构优化 产品开发只能参照国外的一些设计资料和样品进行消化吸收，真正意义上的新产 品自主开发工作很少。原因在于设计方面缺乏新理论的指导和高新科技手段的介 入，也缺乏对高性能参数、高温参数的动态模拟试验手段和测试设备，基础科研 的投入也较少。 利用数值模拟手段不仅可以节约大量的人力和资金，最重要的特点是可以模 拟和展现调节阀真实工作状态下其内部流动参数的变化和分布规律，尤其对全负 荷变化范围都可以进行细节信息的获取。尽管调节阀内的非定常流动数值模拟研 究还达不到实际要求，但在设计前首先进行调节阀全工况范围的三维真实工作参 数和介质的数值模拟研究不仅弥补了试验研究的短缺，更重要的是可提供试验无 法获得的数据。如为设计人员提供全面完整的流场信息，从而为降低流动损失、 改善阀门稳定性提供思路，并能预测调节阀运行实况。新的设计方法是先选出多 种阀门型线组合方案，然后进行大量的数值模拟，从计算结果中获得一定量指导 性依据后，针对不同使用要求再进行内部流场结构的优化，以完善设计。模拟试 验仅对典型工况和挑选的阀门型式进行，最终结合试验和运行数据形成完整的设 计方案，本思路对完善传统设计方法不仅必要，而且完全可行，既可节省大量的 试验经费，又可使设计水平提高。 1 3 课题研究的主要内容 1 3 1课题内容介绍 球阀属于角行程类调节 阀，它将输入信号转为角位 移，并带动球状阀芯旋转( 图 1 2 ) 。球阀是由旋塞演变而来 的，它的启闭件是一个球体， 利用球体绕阀杆的轴线旋转 9 0 。实现开启和关闭。球阀 在管道上主要用于切断、分 配和改变介质流动方向，设 计具有v 形开口的球阀具有 良好的流量调节功能。 球阀是本世纪5 0 年代问 世的一种阀门，在半个世纪 的时间里，球阀己发展成为 图1 2 球阀 1 阀盖：2 阀杆：3 阀体：4 阀座：5 球体 l o 硕十学伊论文 一种主要的阀类。球阀是近十几年来发展最快的阀门品种之一。特别是在美、日、 德、法、意、西、英等工业发达国家，球阀的使用非常广泛，使用品种和数量仍 在继续扩大，并向高温、高压、大口经、高密封性、长寿命、优良的调节性能以 及一阀多功能方向发展，其可靠性及其他性能指标均达到较高水平，并已部分取 代闸阀、截止阀、节流阀。随着球阀的技术进步，在可以预见的短时间内，特别 是在石油天然气管线上、炼油裂解装置上以及核工业上将有更广泛的应用。此外， 在其他工业中的大中型口径、中低压力领域，球阀也将会成为主导的阀门类型之 o 球阀主要用于截断或接通介质，也可用于流体的调节与控制，v 形球阀能够 进行比较精确的流量调节与控制，而三通球阀则用于分配介质和改变介质的流 向。球阀流通能力大，流动阻力小，既可用于流体的流量调节，也可用于流体的 切断控制，球阀的可调比远大于相同通径的其他控制阀。 v 形球阀在球体上开有一个v 形切口，随着球的旋转，开口面积不断变化， 但开口的形状始终为三角形，当v 形开口旋转到阀体内，球体和阀体上的阀座 密封圈紧密接触即可实现管路切断。v 形球阀提供等百分比的流量特性，这种控 制阀有良好的可调比，控制和关闭能力。v 形球阀与阀座相对转动时产生剪切作 用，尤其适用于高粘度、悬浮液纸浆等不干净、含纤维介质的凋节、切断【1 0 】。 球阀具有的优点： 1 ) 流体阻力小，球阀是所有阀类中流体阻力最小的一种，即使是缩径球阀， 其流体阻力也相当小。 2 ) 开关迅速、方便，只要阀杆转动9 0 。，球阀就完成了全开或全关动作， 很容易实现快速启闭。 3 ) 密封性能好。球阀阀座密封圈一般采用聚四氟乙烯等弹性材料制造，易 于保证密封，而且球阀的密封力随着介质压力的增加而增大。 4 ) 阀杆密封可靠。球阀启闭时阀杆只作旋转运动，因此阀杆的填料密封不 易被破坏。 5 ) 球阀的启闭只做9 0 。转动，故容易实现自动化控制和远距离控制，球阀 可配置气动装置、电动装置、液动装置、气液联动装置或电液联动装置。 6 ) 球阀通道平整光滑，不易沉积介质，可以进行管线通球。 7 ) 在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会 引起阀门密封面的侵蚀。 8 ) 适用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应 用。 本课题的关键技术内容是运用计算流体力学对调节类阀门的流道，v 形球阀 的型线进行分析优化以获取最佳的流量调节特性。研究v 形球阀的流体特性、 v 形调节球阀的数债模拟及结构优化 可调比、不同开度工作性能，流量系数和调节特性曲线，以及流体通过v 形球 阀产生的流场的压力和速度分布情况。 1 3 2结构设计 利用阀座的流量系数，在不同开启位置下绘制阀芯的v 形开口，即不同时 刻，相对于阀座，v 形球阀处于不同的开启位置，与开启截面积有关的介质流量 也就大小不同。球阀的结构设计最重要的零件就是带有v 形开口的阀芯( 即球 体) 。在研究v 形开口的形状时，根据计算出的数值，来规定各截面在不同开度 下相应的开启截面积，建立不同开度下的v 形调节球阀的三维模型。 数值模拟v 形球阀，得到各种开度下的三维流场分布以及压降与流量的特 性曲线，根据v 形球阀不同的性能要求，完成优化v 形球阀的v 形开口形状， 从而调整v 形球阀不同开度调节特性曲线，使v 形球阀的调节性能达到或实现 预期设计的性能指标1 1 。 1 3 3技术路线 运用计算流体力学( c f d ) 方法对v 形球阀阀体流道内的流动情况进行数值 模拟计算，然后对计算数据进行分析，优化结构，主要步骤为： 1 ) v 形调节球阀的调节特性研究； 2 ) 采用理论计算及已有的实验数据在c a d 软件下设计产品图纸； 3 ) 利用三维建模软件s o l i d w o r k 进行几何建模，并简化模型结构，建立流 体流道模型； 4 ) 将模型导入c f d 软件f l u e n t 的g a m b i t 前处理器中，采用非结构化网格 对算例进行离散处理； 5 ) 使用f l u e n t 软件中隐式的s e g r e g a t e d 法对算例进行三维稳态计算，壁 面附近的流动采用标准壁面函数进行模拟，压力一速度祸合采用s i m p l e 算法； 6 ) 对计算得出的流体的流量进行计算处理，通过流量系数绘制出特性曲线； 7 ) 根据计算的流量和特性曲线图分析v 形调节球阀与理