【《锅炉给水泵最小流量阀（再循环阀）的优化设计》19000字】

锅炉给水泵最小流量阀（再循环阀）的优化设计摘要：锅炉给水泵在很多工业和民用都有着很广泛的应用，所以其运行的安全性也就变得尤为重要，而其中保证其安全的最重要的部件就是最小流量阀，也称再循环阀。本文按照国内阀门标准对给水泵再循环阀进行了零部件材料的选择和结构的选型，重要零件进行了设计并强度校核，用AUTOCAD绘制零件图与装配图，最后通过SOLIDWORKS建模并用ANSYS分析了阀内流场关系，分析再循环阀的开度、压力、流量等参数之间的直接关系，这可能有助于推动此类产品的国产化进程。关键词：最小流量阀；设计校核；数值模拟目录TOC\o"1-3"\h\u24771绪论 绪论1.1引言本课题来源于中核苏阀科技实业股份有限公司给水泵配套产品——套筒式最小流量调节阀（下文简称“再循环阀”）。该公司成立于1997年，是中国阀门行业和核工业系统中第一家上市公司。阀门是流体输送系统中的控制部件，它有着许多功能，比如防逆流、稳压、调节、切断、分流或溢流泄压等功能。流体控制中使用的阀门从最简单的截止阀到极其复杂的自动控制中使用的各种阀门，种类和规格多种多样。阀门是化工生产过程中常见的设备部件。因此，在化工工艺设计中，有必要加强阀门设计和布置的合理性，合理提高阀门的设计水平，从而有效提高管道阀门的抗风险效果。一是提高管道阀门对高温、强腐蚀介质的防护能力。二是在机组启动前进行设备、管道、阀门的气密性和压力试验，确保管道阀门的设计考虑管道材料、环境、振动等方面的影响，消除泄漏隐患。几年前，国内工业阀门企业的“外向”发展趋势明显。当时，业内有很多内部公司，但由于成本低，竞争激烈，大多数公司依靠降低产品售价来维持市场。这样一来，这个行业的利润就很小了。基本上，它只能维持生产，但很难赚钱。其后果是产品价格低、附加值低和利润低。公司没有足够的资源来维持可持续发展。如果公司不能取得进步，就很难改善行业，导致优胜劣汰。缺乏丰富的经济保障，就无法提高产品的设计和科技含金量。这将不可避免地导致高端市场缺少国产阀门配件。现如今，工业级的水资源的需求量日益增加，过程工业以及相关行业就开始思考如何在提高运送水资源的能力的同时去确保机器和人的安全性问题。那么，给水泵配备最小流量阀就显得非常有必要，它的存在使得当水泵正常运转不向外供水时，又不停泵，最小流量阀则通过以控制温度、压力的方式以及与出口阀连锁的方式中的其中一种方式来控制阀门的开与关，这样就能排去一部分小流量的高温水，防止水泵气蚀，从而保证水泵的正常连续运转。目前，政府出台“两新一重”利好政策[1]，该政策旨在当前国内阀门行业受新冠病毒疫情冲击之下，让经济增长的三驾马车中出口、消费受到影响，整个社会一度陷入“停摆”状态，通过增大国内基建投资力度，试图用投资来追回疫情导致的经济损失。那么另一方面，各省市也在实时公布的项目投资计划中；还有大批公路、城际高铁科技园区和广场等工程项目。这些工程项目和泵管阀行业的关联虽然没有环保项目那么密切，但是规模更大(占2020年总体基建投资计划50%以上)，对阀门设备的需求量也非常巨大。1.2再循环阀泄露事故分析此次事故来源于华能南通电厂1号汽轮机组在更换了再循环阀后反复出现了填料及其密封面的泄漏致命缺陷导致机组设备给水流量低很难满负荷状态发电系统，泄漏量高达186t／h，这意味着或许直接发生特别严重的工程事故，更有甚者造成人身安全危险。图1.阀座与阀芯密封关系泄漏的最大原因之一是阀座盖的角度选择大于阀盘密封面的角度。特别是阀盘密封面的初始变化为R13球面，使得阀座和阀盘之间的密封线全面接触，这更不合理。这是失败的第二个主要本质原因。装配过程粗糙，安装不当。因而，引发了思考而得出优化的方面为：密封效果的优化以及阀盘和阀芯的设计优化。1.3再循环阀的结构类型最小流量控制阀采用多级保持架或多级迷宫式节流元件。多级保持架采用由对称小孔套筒组成的多级减压节流孔。多级迷宫采用一系列直角弯管减压，有效控制流经旋塞的整个质量的流量，大大降低阀门内高压气体和液体或锅炉产生的噪音。传统的最小流量阀结构复杂，零件多，装配性能差。油缸驱动部件的体积过大，导致阀门体积过大。阀门的开度取决于介质的压差和弹簧的张力。弹簧易磨损，开口不到位，密封面易清洁。阀体由铸铁制成，容易产生夹砂、气孔等铸造缺陷，导致阀门致密性差，壳体容易清洗。在本文中，再循环阀的类型，如下图所示，本质上是一个带有进排气孔和阀腔的阀体，以及一个带有进排气孔的下气缸盖。它通常配备节流阀来控制气源，减少缓冲功能，以及阀座、阀盘和垫片等零件和驱动零件。其特征是阀盘上设有导向孔，下气缸盖采用特殊结构。在显示杆的顶部设置一个操作器，在支架上安装一个感应传感器，以指示阀门和操作器的位置。图2.新型循环阀结构示意图1.4再循环阀的结构优化分析（1）小流量情况下，阀瓣与阀座之间的环状工作间隙比较小，经过此间隙的水流速度较高，可能因此出现液体压力低于此刻的汽化压力。流体急剧汽化形成微小气泡，最终流动速度变慢，液体压力升高到大于汽化压力，气泡形成空虚，从而导致阀门汽蚀。图3.流通截面示意图根据这一特性，可以调节套筒和阀体之间的循环流道。一是有效避免阀门气穴对阀体的侵蚀，延长阀门的使用寿命。另一个可以使液体通过腔室中的节流间隙混合气，然后从阀门出口排出。此外，它还可以防止气穴的产生，从而导致体积流量减少和泵振动增加。因此，气穴会损坏泵的性能和使用寿命。可从阀杆、阀盘和密封表面的结构设计组合，以确保试验水在进入节流环间隙之前以相同的速度分布，从而使水流通过圆形节流间隙时能够均匀通过，提高了节流后水流的稳定性，也能有效减少圆形节流面上不均匀介质流的局部擦伤，延长阀门的使用寿命。（3）阀芯结构有滑柱式、截止式、滑板式，根据工况需求选择了截止式。1.5流量控制阀国内研究现状20世纪80年代开始，随着我国改革开往政策的贯彻和落实，国内一些流量控制阀厂商先后从口木、美国、德国等国家引进技术，开始消化吸收或合资进行生产，丰富了我国的流量控制阀产品品种、并使产品质量得到明显提高。经过近60年的发展，在引进、吸收德国、美国和日本等国家技术基础上，通过不断的艰苦奋斗和改革创新，我国的流量控制阀行业在企业数量、生产产值、技术水平等方而都形成了一定的规模。中国的流量控制阀行业起步较晚，自20世纪50年代末以来，经历了产品模仿、基础产品联合设计、增加等级和标准系列等多个阶段，直至上世纪80年代，已然逐步跟上国际潮流。调节阀的使用发展领域还很广泛，所以国内学者也做了大量研究分析。比如，调节阀主要零部件的国产基础材料选用、不可压缩流体各种介质在迷宫式流道内的流动强大的性能、高温高压高速流体工质在不同方式迷宫式流道时对阀门内件以及节流所有元件较强的冲击和冲刷、不同介质是对在调节阀中流动性能的受影响、不同结构形式的迷宫流道的流动性能表现、工件表面对于流场性能的影响等等。研究的主要实践成果有：迷宫式结构尺寸数据同样流道的流动特性有一定程度受到影响，翻拌分配总电感电流的有效主要措施是采取增大流道室内面积来增强冲洗速度，来控制串联压力损失所承担的高压降。如果工作介质中有更多固体杂质，且迷宫式节流槽堵塞，则阀门的流量会降低，可根据工作条件进行精细设计，研究创新的制造方法，并按一定顺序通过电弧焊制作不同阶段的圆盘，使之满足各种不同的高压介质的工况要求。决定再循环阀降压水平的最重要外部因素是阀盘的工作压差，值越宽，需要的压缩阶段（即旋转）就越多。当盘片降压等级可以达到结构设计要求时，与此同时增加级数对降低流量与流速和出口能量的作用就会相对较弱。多家调节阀的生产公司和企业共同打造国内高校和科研机构或阀门专业研究所对套筒式调节阀做了深入的研究成果[2]：姚建设等对国内外高压差流调节阀的特殊结构形式和工作原理进行了预测和总结，研究了在工作条件下操作这种调节阀所产生的主要问题，研发了一种非常先进的迷宫型调节阀，实现了高压差工况下的低水流速．邵丽霞等研究了某一种迷宫型调节阀的结构框架、基本原理，并完成了控制阀最重要关键部件的内部设计和计算。郝娇山运用CFD模拟其他软件对某一碟片式迷宫型超纯化降压调节阀的阀内流场做指数值虚拟模拟进行模拟分析，仿真模拟是颇为直观的可视化表格数据，结合分析计算最后，提出了可供此类调节阀设计开发理论发展参考的盘片V型槽流道设计设计思路分析和理论。冯邦松采用三维模拟的方法，对小流量迷宫式调节阀串并联流道的流场化学特性（增压分布和阻力特性）进行了比较，很明显，串联通道的压降大于并联通道的压降，并联通道的压降较软。1.6流量控制阀国外研究现状美国CCI公司于1967年生产了第一台圆盘迷宫式调节阀，满足了高压流体和气体控制阀的市场需求。该阀门可以控制水、油、蒸汽、天然气、石油产品和化学品的流体。CCI的阀门主要用于火力发电厂和核电厂、热电联产（CHP）厂和其他控制高压水或蒸汽的行业，以及生产、运输和加工，包括液化天然气和石化行业。套筒迷宫式调节阀（拖动阀）技术被认为是在恶劣工况下调节阀行业历史上的创新里程碑之一。自1961年以来，CCI的控制阀在恶劣条件下持续改进控制方面已拥有50多年的经验，并且仍在进行持续的设计改进，如：（1）通过加厚底板、增加承压面积和增加导套厚度来延长使用寿命，扩大流道面积以提高抗气蚀性，使用压力补偿环来水平平衡阀瓣组并消除振动，使用双进口，为防止堵塞和确保流动，使用大通道容纳不纯液体。（2）以最小的控制电流提高阀门提升力，以保护阀座免受损坏。可伸缩圆柱形阶梯垫圈具有从高CV值到低CV值的平滑过渡。（3）将原固体柔性石墨（压缩性控制差）改为片状（径向膨胀性和弹性更好），镍丝网压缩环综合性能更好。类似的设计改进还有许多许多，通过客户实际工况的使用反馍，CCI不断地在对调节阗做优化设计，使其各项性能（如寿命长短、性能调节、受腐蚀的耐性、耐噪音性和维护的成本）不断提高，受到业界客户的高度赞扬。1.7本文主要设计内容1.7.1设计目标对最小流量阀的传统和现有的结构进行分析理解，结合《阀门设计手册》等细则来确定整体的优化设计方案，再用建模软件对泵的新型再循环阀结构进行三维建模，再通过流体Fluent分析软件对其进行流场分析，为其结构的合理性提供实验依据；与此同时为了实现其精准控制流量的目的，会对以优化设计的结构进行通流截面的计算，为实现给水泵再循环阀的优化设计提供理论依据，最终达到对给水泵再循环阀的优化设计效果。1.7.2设计内容（1）结构可行性分析，掌握其结构对流体介质运输产生的影响规律。通过查阅相关文献，参照已有分析数据与设计规则，合理的结合自身设计想法，最大化其通流截面积，以此达到再循环阀的结构优化。（2）套筒的设计。（3）阀杆、阀瓣以及密封表面等结构入手设计出一个组合来尽量保证测试水进入节流环状间隙前为截面等速分布，采用双腔室的设计来舒缓水流的冲蚀。（4）掌握基本的设计方法，通过CFX了解阀内流动特性。学习国家对阀门非标准件的结构设计要求，学习使用CFX有限元分析软件来了解其阀门内部的流动特性，对最大化实现精准控制流量这个目标提供直观的依据，以此达到理论优化。Fluent数值模拟，也可以最直观地看见再循环阀结构对流体介质所造成的动力影响。采用Fluent数值模拟的方式模拟迷宫槽式最小流量阀在出口端接近饱和蒸汽压力的真实工况，这样就得到水在不同迷宫槽结构下的空化分布。通过对比相变范围及相变量，最终也能发现什么样的槽结构在阀出口端接近饱和蒸汽压力这种工况下相变量最少，借而由此判定该结构在此种工况下性能及其各项防空化效果最好[3]。1.7.3设计方案（1）规定设备或装置中最小流量阀的用途，并确定阀门的工作条件：适用介质、工作压力、工作温度等。（2）确定阀前阀后连接管道的公称直径，以及其连接方式为法兰、螺纹、焊接等等。（3）确定操作最小流量阀的方式：气动。（4）确定基本参数：比如确定管道的公称直径和阀座孔的直径等。（5）确定已经选定阀门的基本几何参数。（6）参照设计手册，针对再循环阀的密封问题，尽可能降低强度和泄漏可能性，采用套筒填料密封最小流量阀，以缓解泄漏问题。此外，阀门内部结构采用压力补偿结构，可大大降低密封比及相关零件的张力，延长密封面及整个阀门的使用寿命。驱动扭矩小，气动执行器功率小。由于其装配结构，拆装维修方便，缩短了维修周期，优化其内部不合理的设计问题，减少水的摩擦，延长阀门寿命，提高经济性。1.8课题意义工业生产中有各种各样的工作条件。无论是极端恶劣的工况还是正常工况，再循环阀的意义在于确保泵体的安全（本课题以给水泵为例）。因此，对其结构和流量截面进行优化设计对提高再循环阀的性能具有重要意义，但我国对阀门设计有明确的标准规定，优化设计也往往需要通过大量计算和实践进行调整和修改，这样就有可能优化阀门的结构和性能。对于再循环阀等非标准零件，它具有很强的可改造性和实用性，在现实生活中，给水泵几乎随处可见，尤其是在流程工业中。因此，本文提出了给水泵再循环阀的优化设计方案，具有较高的经济价值、安全性和实用意义。在当今的化工行业中，循环阀的国产阀芯往往不能满足使用要求，需要频繁更换，从经济性和安全性的角度来看，这不是一个长期的策略，更大层面来讲这次设计研究也响应了设备国产化发展的积极号召[4]。1.9创新点与难点分析给水泵循环阀的结构和性能优化仍有很大的改进空间。创新之处在于结构设计，主要依靠国家阀门设计要求和经验，仅凭经验设计回油阀的结构很难满足使用要求。因此，本次设计创新性地对套筒进行扇形开孔，内部结构布置甚至采用压力补偿结构。这些优化不仅依赖于仿真数据的设计，而且实现了设计方法的创新。设计的难点在于，在实际的结构优化设计中，尤其是在阀门的结构优化中，可能存在建模困难、细节多、密度大的问题。由于其结构对流体介质有很大的影响，在建模过程中的任何疏忽都可能导致效果的很大偏差。

2给水泵再循环阀的设计2.1给水泵功能介绍给水泵一般都是离心泵，而离心泵作为一种通用机械，已广泛应用于国民经济的各个部门。在人们的日常生活中，如城市生活用水的供应和输送；冬季供暖系统热水循环；卫生设备的热水供应；小型工业锅炉给水；即使蒸发数百公斤的小型锅炉的给水也无法与离心泵分离。在农业生产中，从大井抽水，农田灌溉和排水。离心泵主要用作从河流和湖泊取水的抽水站的动力设备。如下图图1所示，为多级降压给水泵的模型示意图。图4.多级给水泵模型在石化行业，各种类型的离心泵广泛用于输送酸、碱和盐溶液、原油、液体石油产品和其他液体化工原料。在中型化工厂中，有几十台离心泵在工作，在长距离输油管道中有十几台甚至几十台离心泵在夜以继日地连续运行。冶金系统钢铁厂采用离心泵作为冷却水泵，矿山隧道采用多级离心泵排除积水。此外，在水利和煤矿系统的供水、造纸厂的纸浆输送、城市污水站的污水输送以及机械制造商的供水中，离心泵也是不可或缺的。在电力生产中，火力发电厂使用大量离心泵作为动力设备。 2.2再循环阀工作条件本文以中核苏阀科技实业有限公司生产的最小流量再循环阀为支撑对象。该阀门主要用于火力发电厂或核电站的给水泵管道，其工作条件见表1。表1.最小流量阀工作条件工作条件表工艺介质FluidName水流体状态FluidState液态工作温度℃104质量流量t/h15阀前压力MPa5.5压差MPa1.5表2.调节阀数据表调节阀数据表阀门型式直通式型号KA-50E10FC阀体口径（mm）50阀座通径（mm）32公称压力（MPa）10连接方式DN50PN10MF阀体材质WCB阀芯材质1Cr13阀座材质1Cr13泄漏等级IV流量特性等百分比阀盖形式标准填料PTFE额定行程40制造厂而下图则为工作管路流程图[5]。从图中可以明显发现阀门被安装在了给水泵出口支管的上面，连接到除氧器。给水泵把水从除氧器里面吸出来送到锅炉。而且为了防止给水泵发生过热或者气蚀的现象，要求给水泵的流量在任何情况下都一定不能小于同一个规定的安全流量，俗称最小流量。如果所需的锅炉给水流量很小，则需要快速打开最小流量阀，将部分高温高压水从泵出口返回脱氯装置，以确保给水泵的安全运行。因此，最小流量阀长期处于高温高压的工作环境中，对阀门本身造成很大的损坏，最小流量阀的设计必须相当严格，必须保证其安全运行。此外，由于阀门的几何尺寸较小且流速较高，因此也是管道系统中受影响最大的故障区域。图5.最小流量阀工作管路图2.3再循环阀设计2.3.1再循环阀流量计算与初步设计（1）流量计算再循环阀设计中的第一个参数是阀门CV（全称：阀门系数），它是指当阀门完全打开且在室温下进出口压差为1psi时，每分钟通过阀门的流量。（1psi=6.895kPa。）参照标准ISAS75.01，得到了设计的再循环阀的流量计算基本过程，《阀选型的流量公式》[6]。（2）材料、基本内径的选择据工况要求（设计阀前压力5.5MPa，压差1.5MPa，工作温度104℃），选用阀门的主要材料为铸铁WCB，考虑到其制造的工艺上的难度，使用浇铸类型较为稳妥且经济，在很大程度上铸铁也有较好的力学性能用于阀的制造和使用，同时在使用寿命上也有不错的表现。应条件中最大流量15t/h的要求，把阀门内腔的基本内径选定为50mm。 2.3.2再循环阀阀体设计阀体材料的机械性能应计算为铸铁材料的脆性材料。钢材应按塑料计算。脆性金层材料危险状态的评估以裂纹（断裂）的出现为特征。在计算min-body的强度时，应以强度极限h为强度标准，并根据最大拉应力理论的第一强度理论进行计算。阀体材料的机械性能应按铸铁材料的脆性材料计算，钢材应按脆性材料计算。对脆性金属材料危险状态的判断以裂纹（断裂）的出现为特征。在计算Min-body的强度时，应以强度极限h为强度标准，并根据第一强度理论-最大拉应力理论进行计算。图6.阀体结构简图塑料金属材料危险状态评估的特点是残余变形过大。在计算阀体整体强度时，要以屈服承受极限s为强度一般标准，并参照能量强度理论的第四强度理论进行计算。本课题的阀体类型采用腰鼓形阀体。对于这种类型的腰鼓阀体，通常采用低压和中压阀门。在薄壁公式中，有时只计算具有厚壁公式的钢制高压阀。薄壁阀体事实上由铸铁等脆性材料制成的阀体，结合第一强度理论计算壁厚：SB=pD式中：DN—阀体中腔最大内径，mm，主要依据结构需要选定，取50mm；P—设计压力，取公称压力PN，MPa，根据任务书给定条件取阀前压力5.5MPa；SB—阀体的壁厚（添加腐蚀裕量后），mm；σL—材料的许用拉应力，MPa查《阀门设计手册》得WCB的许用应力σC—附加裕量，mm。表3.附加裕量C值（mm）SB-CCSB-CC<5521~3026~104>30111~203————————对于塑料阀体，其壁厚根据第四强度理论计算：SB=pD得出SB-C=pDN2此处SB为最小壁厚即tm，再进一步得出颈部距L，L值的计算公式为：L=1.1dtm=1.1×式中：L—从阀体颈部到阀体支管的尺寸，mm；d—阀体中腔内径，mm；tm—阀体中腔内径；d—壁厚，mm。最终，再循环阀的阀体结构如下图所示。图4.阀体结构与此同时，使用软件SOLIDWORKS进行三维建模图5.阀体结构三维图2.3.3再循环阀阀瓣设计阀瓣是套筒式再循环阀阀表现其性能十分关键的零部件之一。江南阀门有限公司顾成果先生[7]套筒阀盘由套筒导向，可减小执行机构的不平衡力和输出力。套筒阀具有很强的互换性和通用性。广泛应用于明确要求动力可控性好、噪声影响低、汽蚀和汽蚀小、高低温冲击形成高压差的工况。传统套筒阀瓣的表面结构直接借助套筒导向，导向空挡小，加工精度高。尤其是在高温下，阀盘容易堵塞和泄漏。本文创新性地将阀瓣应用于套筒上，以提高其节流能力，该结构还具有稳定性好、噪音低、气穴和气穴小、单座阀泄漏小的特点。关键是彻底缓解阀瓣堵塞，在高温条件下具有良好的性能。根据阀门设计手册中平板式阀瓣的设计厚度计算公式：Sb=D式中：Sb—阀瓣厚度，mm；Pn—设计压力，MPa；Dmp—密封表面平均直径，mm；σW—材料的许用应力，C—附加裕量，mm。表4.1Cr13的高温力学性能热处理制度[σW]（MPa）φ5（%）硬度HB1000-1050℃淬火（油水冷）700-790℃回火（油，水空冷）≥588≥20≥187其中密封表面平均直径Dmp=36mm（设计给定），Pn=10MPa。得出Sb-C=D将设计数据代入（2.4）式中得Sb=6.894≈7mm。最终，再循环阀的阀瓣结构及其尺寸如下图所示。图6.再循环阀阀瓣与此同时，使用软件SOLIDWORKS进行三维建模图7.再循环阀阀瓣三维模型2.3.4再循环阀阀盖设计阀盖作为与阀体一样的承压件，对于给水泵的使用安全性也是一样非常的重要。平板形阀盖一般用于压力不高的止回阀上，可分圆形和非圆形两类。然后根据圆形平面阀盖设计了本课题中的阀盖设计。图8.阀盖结构示意图由于还要考虑阀盖螺栓的情况，阀盖上的安装螺栓数量通常为8或10或12。考虑到阀体的尺寸，选择8-Φ29均匀分布的螺栓（螺栓材料为1Cr13，M24-M27螺栓常温许用应力为147MPa，按准GB150《压力容器》[8]）。阀盖厚度的设计采用下面的两种不同公式，取较大值。δp=Dc式中：W—设计载荷，N；δp—阀盖的厚度，mm；p—设计压力，MPa；Dc—阀盖的直径，mm，取200mm；SG—螺栓中心线至密封压力中心线的径向距离，mm；[σ]—材料的许用应力，MPa。计算得，δp1≈46mm。圆形平板阀盖的大致外形如上图所示：δp=Dc计算结果为：δp2≈46mm。通过对比以上两个公式的数值结果，得到最终的对比结果是：δp1<δp2，那么根据壁厚选取条件，取δp2的值，经验表明，适当增加安全系数并圆整后，阀盖厚度取70mm。与此同时，使用软件SOLIDWORKS进行三维建模图9.阀盖结构三维图2.3.5再循环阀螺栓设计螺栓与阀盖一样，同为承压件。因此需要综合考虑其及阀盖在工况下的安全使用。关于阀盖与阀体的连接形式一共有五种，分别是螺纹连接、法兰连接、夹箍连接、焊接连接以及自紧式密封结构的连接，这五种连接分别对应着不同的工况下阀门的连接形式，本课题由于口径较小且阀门压力偏低，故选择结构简单且紧凑的传统形式螺纹连接。在设计阀盖时，8-φ18均匀分布的螺孔可与1Cr13的M27螺钉相匹配。根据公式计算螺栓的尺寸和数量，结果满足工作条件下的强度要求。PcAgA式中：Ab—螺栓抗拉应力总有效面积；Ag—由垫圈或O型环的有效外边缘或其他垫圈的有效边缘定义的区域，环连接的情况除外，其由环的斜率直径确定；K1—65.26，MPa；Pc—压力额定值磅级数；Sa—38℃时的螺栓许用应力。本文中的螺栓按照《阀门使用设计手册》中直接选取，本文只研究设计其位置分布，均匀合理即可。图10.螺栓在阀盖上的分布图2.3.6再循环阀套筒设计节流套筒作为套筒式再循环阀最重要的节流元件，其性能的好坏直接影响到整个阀门管路系统的稳定性。在圆筒的圆孔下面开四个扇形的小开口，以增强其流动能力。基于循环阀的流量方程、流量特性方程和开度几何设计方程，参与设计研究了多孔节流套的开度参数化设计。流量方程[9,10,11]如式（2.8）所示：Q=5.04式中：A1为再循环阀入口面积，cm2；Δp为再循环阀入口至套筒最小节流处压差，MPa;ρ为流体密度，g/cm3；εi为再循环阀i开度时的流阻系数；g为重力加速度，cm/s2；Q为流体流量，cm3/s。定义再循环阀i开度（取100%开度）时的流量系数Kvi（设计给定）如式（2.9）所示：Kvi=5.04A1其中：εi式中：d1为再循环阀入口直径，cm;

di和Ai分别为再循环阀最小节流处的当量直径和流通面积，单位分别为cm和cm2。在再循环阀行业，流量系数通常由Cvi表示，故根据GB/T17213的规定，将Kvi转换为Cvi,转换关系式如式（2.11）所示：Cvi=1.156Kvi

=2.89（2.11）联立式（2.9）（2.10）（2.11）可得套筒再循环阀i开度时的流通面积Ai如式（2.12）所示：Ai=A此处可得其通流面积，与设计给定的通流截面积比较后可以符合再循环阀的流通条件。图11.再循环阀套筒与此同时，使用软件SOLIDWORKS进行三维建模图12.再循环阀套筒三维图2.4本章小结在本节中，完成的主要工作如下。按照给水泵正常的工况下进行工作，参考调节阀相关标准、设计手册等，计算所需的再循环阀流量，确定基本设计各项参数，如磅级和基本内径，并根据工作条件和周围温度选择主要核心部件的材料．（2）经多种途径研究再循环阀的相关各项标准（ASMEB16.34、ISAs75.01等），计算本工程标称功率全部条件和最大功率条件下所需的CV值，确定再循环阀和阀瓣（阀瓣组）的CV值；（4）经多途径查阅阀门设计手册等文献资料，完成再循环阀阀阀体、阀盖、阀瓣、套筒和螺栓的设计。3再循环阀部分零部件的强度校核本设计中的给水泵套筒式再循环阀（最小流量阀）通常用于恶劣工况。如果安全性和可靠性不满足工程要求，将对产品质量和人身安全造成极大隐患。此类产品被分类为特殊产品，它在设计和制造方面都具有高质量保证。由此可见，此类产品的强度验证过程非常重要。阀门产品的主要承压部件包括阀体、阀盖、阀座密封处等，再循环阀（最小流量阀）也是如此。本章选择阀体、阀盖以及阀座密封比压等最重要的受压部件作为强度校核对象。一般来说，国家产品质量监督部门、第三方检验公司和客户最关心的承压件是阀体、阀盖和阀座密封比压。这四个部件的整体强度是不是满足工况的可靠性和安全性要求，可以严重影响产品的安全运行。3.1再循环阀阀体强度校核对于所有阀门产品而言，阀体是最重要的部件。它也是回流阀所有部件的主要承压部件。在上一节的设计和开发中，阀体的最小壁厚为25mm，其材料为铸铁WCB。其次，使用壁厚试验公式检查设计壁厚是否满足工作条件下的基本安全性和可靠性要求。从阀体设计图可以看出，本产品的阀体为圆形阀体，最小设计阀体为25mm。《阀门设计手册》对应的壁厚计算方法。阀体壁厚验算公式如下：SB’=P⋅D其中：设计压力：P=PN=10N实际内径：Da=50mm许用拉应力，查表得：σL查表3得腐蚀余量:C=4mm实际厚度：SB=25mm代进公式计算得到：SB’≈17.75mm，那么真实的设计壁厚SB=25mm，通过最终的比较可知SB’<SB。所以如此就可以证明，此阀体的壁厚整体的设计，其强度校核实际结果是合乎标准的。所以，阀体的壁厚满足工况强度要求。这种设计的阀体可以在正常工作条件下安全使用。3.2再循环阀阀盖强度校核由于阀体上的螺纹连接需要打开阀盖，尽管其承受的工作压力与阀体相同，但其结构厚度通常远大于阀体的壁厚。在上一节的设计研究中，阀盖高度的最终值为70mm，材料为A105。后面根据阀门设计手册中的阀盖校准公式，检查厚度值是否满足工作条件的基本安全要求。本设计中的阀盖类型为圆形平阀盖。《阀门设计手册》对应阀盖最大厚度的计算具体方法如下所示，具体计算方法为：σW其中：设计压力：P=PN=10N螺栓孔中心圆直径：Da=200mm形状系数：K=0.18查表3得腐蚀余量:C=4mm实际厚度：SB=24mm许用弯曲应力，查表得：[σW]代进公式计算得到：σw≈62.98MPa，[σw]=100MPa，通过最终的比较可知σw<[σw]。那么这样就可以证明，此阀盖的厚度设计，其强度校核结果是合格的。因此，阀盖厚度满足工况下的强度要求。这种设计的发动机罩可以在正常工作条件下安全使用。3.3再循环阀阀座密封比压校核与设计校核根据给水泵的工况要求和再循环阀体腔、阀杆和阀瓣组合的形状设计，设计了适合该工况的再循环阀座，并与其他内部零件匹配。阀座材料为1Cr13。适合条件为：密封面实际比压qMF≤密封面计算比压q≤密封表面的容许比压[q]。根据阀体内部流体进口处的尺寸，按经验取密封表面宽度bM：bM=12.5mm密封表面内部直径DMN：DMN=43mm密封表面的实际比压力qMF：qMF=（3.5+PN）/bM密封表面的计算比压力q：q=其中，密封表面的总作用力FMZ：FMZ=FMJ+FMF（3.4）密封表面处介质作用力FMJ：FMJ=π其中取计算压力P=PN，算得FMJ=24192N。密封表面上密封力FMF：FMF=联立以上公式得：q=D经查《阀门设计手册》[12]中阀座选择材料为1Cr13，其密封表面的容许比压[q]=100MPa，故qMF≤q≤[q]，所以阀座密封合格，此设计阀座可以在正常工况下安全的使用。图16.再循环阀阀座与此同时，使用软件SOLIDWORKS进行三维建模图17.再循环阀阀座三维图3.4再循环阀阀杆设计校核根据工程工况要求，阀杆材料选用1Cr13，并规定了阀杆的最小直径dF=20mm。根据《阀门设计手册》中阀杆的设计规则，需要计算的应力低于许用应力，因此，只要满足试验条件，就可以根据需要估算设计尺寸：轴向拉应力σL<[σL]，轴向压应力σY<[σY]；扭应力τN<[τN]阀杆的轴向力计算系数按照《阀门设计手册》中所得经验可以取K1=0.05，K2=0，K3=0.15，K4=0。那么关闭的时候时阀杆总轴力F’FZ：F’FZ=K1FMJ+K2FMF+FP+FT（3.7）式中：Fp—阀杆径向截面上的介质作用力，N；FT—阀杆与填料摩擦力，N；为了方便计算其中FT取6000N，介质作用力Fp的计算式：FP算得：F’FZ=10351N。开启的时候时阀杆总轴力F’’FZ：F’’FZ=K3FMJ+K4FMF-FP+FT=770.4N（3.9）螺纹摩擦力矩M’FL：M’FL=F’FZ*RFM=2696.4mm（3.10）式中：RFM—螺纹摩擦半径，mm，取3.5mm。阀杆最小断面系数WS：WS=48.78mm3轴向的拉应力σL：σL其中：As=π4d2轴向拉应力σY由下式得出：σY=4⋅扭应力τNτN=M合成应力σεσε=σ阀杆材料选取为1Cr13，查表可知：[σL]=220MPa，[σY]=245MPa，[τN]=145MPa，[σε]=230MPa，其轴向拉应力σL<[σL]，轴向压应力σY<[σY]；扭应力τN图14.再循环阀阀杆与此同时，使用软件SOLIDWORKS进行三维建模图15.再循环阀阀杆三维图3.5本章小结本章选择给水泵再循环阀中的主要承压部件：阀体、阀盖和阀座（也是受国家主管部门和人员影响最大的阀门部件），用于强度试验的计算和研究。（1）设计计算阀门设计手册中阀体壁厚强度校核方法，校核计算再循环阀阀体最小壁厚强度，校核其使用安全性；（2）设计并计算阀门设计手册中检查阀盖高度和强度的方法，检查并计算阀盖强度，并检查其安全性；（3）设计计算阀门设计手册中阀座密封比抗压强度的校核方法，校核计算再循环阀座密封比压强度，校核其使用安全性；（4）设计并计算阀门设计手册中的再循环阀阀杆强度试验方法，检查并计算阀杆的强度，并检查其使用安全性；（5）通过合理的计算和验证，最终检验结果是，在正常工作条件下，再循环阀的阀体、阀盖、阀座和阀杆的设计是完全安全可靠的。4再循环阀内部的流体仿真在本节中，将预先检查再循环阀的介质流动性能。有两种常见的阀门测试方法：物理液体测试和模拟测试。物理液体试验是最直接的验证方法。本文通过软件仿真，验证了套筒式再循环阀设计的合理性及其在给水泵正常工况下流场的基本特性。4.1CFD（FLUENT）的数学模型以及仿真流程特点现代流体设备的设计中有着计算流体力学（CFD）很广泛的应用。通过计算机软件进行图像显示和数值计算，并分析其流场中的主要流动特性和导热能力（温度、压力、速度等）系统。数值计算的起点首先必须有一个数学模型，也就是说描述流体在一定边界条件和初始条件下流动特性的模型[13]。CFD（FLUENT）数学动态模型一般而言包括许多数学模型数学方程，包括可控制代数方程和附加湍流方程。根据分析对象的不同属性，方程中包含的方程也不同[14]。本章将简要介绍给水泵再循环阀流量特性分析中涉及的控制方程和仿真过程。使用FLUENT进行流体的有限元分析有几点特点：（1）适用面广包括各种优化的物理基础模型，如计算流和热传导模型（包括自然对流作用、连续和瞬时流、层流、湍流、不可压缩和可压缩流、循环周期流、旋转流和当变流）．辐射优化模型、相变模型的建立、离散相变模型的设计、多相流模型、化学组分输运和反应流建模方法等。（2）高效省时Fluent将各个领域的计算软件结合起来，形成一个CFD计算机软件组。软件用户还能更加方便地交换数值比较，采用统一的前、后处理各种工具，节省科研队伍在计算常见方法、编程、前、后处理等诸多方面投入的重复劳动、低效性工作，并可利用主要更多的时间和智慧，探索物理关键性问题本身。（3）稳定性好精度高每个物理问题的流动特性都有一个合适的数值解。用户也能选择显式或隐式差分通用格式，以获得最佳的计算速率、稳定性和精度。经过大量实例分析，与实验结果吻合较好，可高达二阶精度。4.1.1控制方程在流场内部是存在很多时间域和空间域（压力域、温度域、速度域等）具有连续物理量的域的。FLUENT的功能是建立数学模型方程并求解相应的变量值（近似值），这些变量值的集合可以显示流场的物理性能，从而在更加直观的对流场中进行研究和设计工作。流体在流场中的运动和各点的物理量值一定会符合相应的物理定律[18]。最最常用的三个守恒定律（质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律），因此数学方程包括与这三个定律相关的方程[15]。此外，含有不同成分的液体的方程式还应包括成分保护方程式。对于处于湍流整体状态的流体而言，微分方程还应包括湍流输运方程[16]。（1）质量守恒方程也称为连续性方程，根据当前质量守恒方程，流入的微单元净整体质量在同一时间段内等于单位时间内流体质量的新增，故质量守恒方程为：∂ρ∂ρ式中：u—速度矢量，u分别在x、y、z轴方向上的速度分量是u、v、w；ρ—密度；t—时间；如果流动的动力场中的可动流体是不可压缩的，那么其密度ρ为常数，式子变换为：∂u（2）动量守恒方程由守恒定律，作用明显在一个微元体上的所有外力之和等于单位时间内微元体的总动量变化。而且，能够在三维空间的X、Y和Z方向上导出动量守恒方程。∂(ρu∂(ρ∂(ρ式中：p—微元体上的压力；FX，FY，FZ—是微量元素的物理力。如果物理力只有重力，且Z轴是竖直向上的话，则为FX=0、FY=0，FZ=-G。上述公式适用于任何类型的液体（包括非牛顿液体）；；xx，xy，xz—分子具有粘性作用，因此在微量元素表面产生粘性张力τ，τ在各个面上的分量是xx，xy，xz。（3）能量守恒方程能量守恒方程式告诉我们，在一个系统中，总能量状态自然维持（不讨论与外界的能量交换）。其实能量在系统内转移或转换，但总能量保持不变。故，能量守恒方程式（微分形式）为：ρd式中：∇∗(kρq∇∗(ρdedtρddu（4）湍流输运方程液体的流动状态分为层流、过渡流和湍流（也称紊流）。如果流场中出现旋转流，则称为湍流漩涡（短涡）。湍流是由不同旋涡叠加而成的流动。脊椎的分布、旋转方向和大小无法确定[17]。介质阻力顺势影响流场中的中小漩涡（约为流场大小的千分之一）。这种涡是由大尺寸涡破裂形成的，在流体粘度的作用下不断消失（机械能转化为流体热能），会引起高频脉动；边界条件和惯性影响大尺度涡旋。这种涡旋从主流获得能量，并逐渐将能量转移到小尺度涡旋，从而引起低频脉动。尽管湍流运动不确定且复杂，但它仍然遵循质量守恒定律，因此，N-S方程和瞬态连续性方程可以用来计算湍流的瞬时运动。在本工作中再循环阀的工作条件下，笛卡尔坐标系中的流场可视为不可压缩流体，湍流的瞬时控制方程（u、v和w为u在x、y和z轴方向的分量）可以写成divu=0。∂(u)∂(v)∂(w)为了方便进行计算、前后处理和研究其具体的流动特性，采用时间平均法分离脉动的影响，即将湍流分为瞬时脉动流和时间平均流。4.1.2湍流模型湍流的数值模拟方法有两种：一种是直接数值模拟方法（DNS，即直接控制瞬时湍流的方程的直接解），二是间接数值模拟法（近似和简化一般处理，包括大涡经验模型、雷诺平均法和统计平均法）本课题采用直接数值模拟方法模拟湍流模型。所谓的直接数值模拟法是最直接、最精确的计算科学的方法（马上测算并按当前的N－S主要过程求解）。鉴于本次设计中再循环阀的计算过程不算复杂，其次这种方式更适合于模拟，效率更快。然而，如果其计算量大，计算要求高（0.1x0.1m2的流动面积需要109~1012个网格节点来描述10~100m范围内的所有涡），受当前计算机技术能力的限制，无法在工程应用中广泛应用。据推测，随着计算机内存和计算速度的不断提高，它成为一种良好可行的数值湍流模拟方法会发生在不遥远的将来。4.1.3计算区域的离散与求解对于结构应力、流固耦合和流体流动的描述，很难使用数学模型和人工计算连续范围内各种物理量的精确解。实际上，依靠计算机模型、计算和求解功能，将数学模型在其计算范围内线性化和离散化，并求解线性方程组，我们可以在一定的初始条件和边界条件下，在一定的工作条件下，在数学流体模型的规定范围内，获得规定物理量的近似值，实现对流体工作条件的模拟。根据该阀给出的数据表，这一部分考察了四个开度水平，从40%上升到100%，升幅为20%4.1.4CFD仿真软件的选择及仿真流程（1）仿真软件的选择利用ANSYS仿真相关的软件中的流动系统部件对循环阀的流场进行了仿真分析。值得注意，本文的数值仿真还使用了包括SOLIDWORKS三维建模软件、MESH工具在内的软件。仿真流程在工程中，经常使用成熟的有限元分析软件来模拟和分析流场。通常的模拟步骤包括：创建几何模型、预处理（设置初始值，如几何清理、交联和边界条件）、迭代求解、计算结果验证、后处理信息以及生成结果和数据信息的相关性分析。图18.模拟仿真流程4.2几何模型建立与网格划分（1）创建三维模型通过设计的零件图纸使用SOLIDWOERKS三维建模软件对再循环阀的阀瓣、阀体、阀盖、套筒、阀杆进行建模操作，最终再循环阀的三维模型建立完毕并进行合理装配，如下图所示。图19.再循环阀装配三维模型正视剖面图适当简化提取的内流道模型[18]：（1）清理循环阀套筒的上腔，以提高综合计算效率方面，毕竟液体和气体在此加压，更是是运动状态的，其对模拟计算过程的影响表现都能忽略．（2）简化流经回流阀部分的复杂结构。上述简化不仅对计算结果没有影响（因为影响很小且可以忽略），而且有助于保持高质量的网络。图20.再循环阀内部流场模型为了更好地分析流场介质流动特性，由于流动特性的影响，过小的开度会导致模拟过程的工程介质水的回流，导致模拟失败，故本课题讲开度从40%开始分为四个不同的开度，直到100%，分别在ANSYS中对模型进行数值模拟分析。ANSYSFLUENT软件相匹配的ICEMCFD模块在本设计中的再循环阀模型的网格划分中被应用了进来。其中，阀芯是阀门的核心部件。介质的流量在这里被节流，流量和压力等物理相关参数发生了很大变化。为了更好地模拟介质流和物理场，将域划分为模型，并对网络进行细化。由于分割区域由几个挤压实体组成，因此可以使用六面体网格，整个阀体也分为三个部分：入口和出口直管段和中心部分。包括，进出口直管采用六面体网格单元划分原则，中间不规则其他部分采用四面体网格单元划分原则（适应能力强）。划分后，整个开度40%、55%、70%、100%流场模型的网格数分别为389183、2980295、3017478、3099218个。图21.再循环阀内部流场几何模型网格图22.再循环阀网格划分质量图由上图可知，网格划分质量合格，并且可以开始进行对于40%开度的再循环阀边界条件设置。4.3边界条件与迭代计算本设计的给水泵再循环阀，不同工况下的介质为水。根据理论计算，阀门不会沿整个流道闪烁。因此，可以将介质计算为不可压缩液体。将平均湍流强度设置为5%，入口压力的边界条件为5.5MPa，压差1.5MPa，介质的工作温度为104℃；质量流参数用于膨胀段的边界条件；默认情况下，模型墙被视为绝热（无滑移）。图23.再循环阀内流场数值模拟计算迭代计算图4.4再循环阀阀内流动分析迭代解收敛完成后，对计算结果进行后处理，得到内部流场模型的压力云图、速度云图和速度矢量图（此处列举了100%开度的结果云图展示参考）。获得了整套流场的结果分析，原点O取阀瓣底部中心处，X轴Z轴标注，Y轴标注如图。在本文中所有的数值仿真结果图样中所标注出来的压力的基本单位为Pa，速度的基本单位为m/s。（a）Y=0.065米平面压力云图（b）X=0平面压力云图图24.阀门开度100%压力分布结果图从上面的压力云图可以看出，阀体内部的介质存在明显的压力梯度（从入口到出口段），整个入口区域的压力值大致相同，出口区域的压力值也大致相同。总的来说，压力随着通道面积的逐渐增大而减小。套筒式调节阀前后的压降大多用于去克服某些调节阀内部结构流道的阻力点，特别是安装在套筒组件上的节流元件的流道阻力。同样，从Y=0.065mm的平面压力云图可以看出，节流元件（套筒阀芯）中的压力值逐渐降低，尤其是从左到右的最大压降，然后逐渐降低。此外，串联流道中介质的最小压力不得低于该工况下介质的饱和蒸汽压力。通过套筒阀芯的降压节流作用，将介质（水）流速的加速和压力（压差）的变化控制在允许范围内，避免或减少对阀腔造成的气蚀、冲蚀、振动、噪声等不良现象，由于节流过程中流量大，压力波动剧烈，导致阀门内部和管道损坏。图25.压力递减特性曲线图图26（a）可看出，介质在阀体进出口区域流速均匀，中间节流区域存在明显速度梯度。获取Y=0.065mm截面流道平面速度云图，介质从阀体内腔流路进入套筒式沟槽流道后，流道面积的逐渐减小，节流槽出口的流速便随之逐步升高。根据平面流速矢量图，当流体进入到套筒流道内，流体在沟槽内经挤压，不断发生碰撞再改变流速，使通流截面也不断被削减。（a）X=0m平面速度云图（b）Y=0.065m平面速度云图（c）Y=0.065m速度矢量图图26.阀门开度100%速度分布结果图由图看出，此结构设计具有节流降压作用，介质水每一次通过循环流道，它的压力都会降低，同时提升了流速；套筒使沟槽内的工质流入循环流道后，在其中心位置发生对冲，彼此的动能在整个流动过程中被相互损耗，避免了高能量介质流对套筒内壁、阀杆的直接冲刷，降低了倾蚀产生的几率[19]，延长了内件的使用寿命。另外，从表现流体速度的图样中还能够看出来，介质水在套筒中心部分的流速明显增加了，导致这个情况的主要原因是：（1）阀体中间部分流通面积减少；（2）介质在中间部分湍流强度较大。4.5流量特性分析流量特性是再循环阀的一个非常重要的固有特性，它决定了再循环阀在实际工况下的可调性，并直接影响到整个设备的后续过程。因此，对再循环阀的流量特性进行计算和分析是非常有必要的一件事情。根据国家标准GB/T17213.9-2005《工业过程控制阀第2-3部分：流量试验程序》中的流量试验要求，分别建立40%、60%、80%以及100%开度下的三维模型，并设置相同的边界条件，即入口压力为5.5Mpa，压差为1.5Mpa。本标准规定了CV值的计算方法，给出了液体工况下阀门CV值的计算公式：Cv=式中：Q—体积流量，m3/h，1t/h=1m3；N1—常数，压力单位为MPa时，Nρ1/ρ2—相对密度，ρ1为介质密度kg/m3,Fp—管道几何形状系数，无变径管时，Fp=1；△P—阀门压差（△P=P1-P2），MPa；P1—阀前压力，MPa；P2—阀后压力，MPa。流阻系数计算式：K=2Δ式中：Δp—阀门压差，MPa；ρ—介质密度，kg/m3；V—流速，m/s。通过数值模拟，可以快速得到阀前后的压差、出口的模拟流量，将所得的数值代入式（4.11）（4.12），获得Cv值，数据如表5所示。模拟得到的流场结果与理论值吻合较好，表明再循环阀阀内部结构设计方法合理，且能够满足工况要求的流量特性要求。同时得出以下结论：开度越大，再循环阀的流通面积越大，流动阻力越大；当确定循环阀的进口和出口压力时，流量随开度的增加而增加，即开度越大，流动性程抛物线降低。表5.不同开度阀门流量系数开度阀前静压MPa阀后静压MPa模拟流量m3/h模拟流量Cv值理论流量Cv值流阻系数40%5.54106.9587.0630.398660%5.541511.57510.5940.4148980%5.542016.4317.0210.55489100%5.542521.8420.4450.56874.6本章小结本章对给水泵再循环阀做了ANSYS软件的模拟仿真验证，主要完成的工作有：（1）根据计算流体力学理论，初步选定CFD软件及建立相关数学模型；（2）采用ANSYS软件建立仿真模型，对再循环阀内部流场进行网格划分；（3）根据再循环阀的仿真要求，在软件中定义了计算模型的相关参数，得到了仿真结果；（4）通过对仿真结果的分析，验证了控制阀阀体的流场性能。实践证明，设计的再循环阀在正常运行条件下具有良好的综合流线性能，压力可以平稳降低，气蚀和闪蒸的概率大大降低，伴随