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    分析及改进大口径蝶阀流场

    蝶阀因本钱低、体积小、质量轻和寿命长等优势在财富规模运用普遍。在高速风洞阀门零碎改造以及新建风洞阀门零碎配置中,也逐渐采取以电动蝶阀、液动蝶阀和套筒式调压阀根据气流的流向顺次布置的形式(图1)。频年来随着风洞实验工作的增加,几座主力风洞大口径蝶阀先后呈现履行机构收效、阀杆断裂、蝶板蒙皮豆剖以及阀杆轴向窜动等类型的故障,老火影响了风洞实验的顺利发展。而蝶阀的上述故障在水电、核电等运用规模并不思空见贯。风洞蝶阀的运用不合于别的规模的个性是启闭多次(每实验一次启闭一次),启闭速度快(3s摆布),冲击大,振动剧烈,而影响蝶阀振动的主要成份是蝶板,因此弁急需要钻研高速风洞蝶阀不合布局蝶板及不合开度下的流场。通过改良蝶阀的流场来提高蝶阀的可靠性,这对于确保风洞实验的顺利发展有着非常需要的含意。


    图1 高速风洞阀门配置

            2 蝶板布局及其流场
            2.1 蝶板布局
            根据压力及口径的不合,蝶板的布局形式也有所不合。风洞蝶阀的蝶板布局形式主要有框架势、蒙皮式和蒙皮开孔式。
            (1)框架势蝶板
            小口径蝶阀的蝶板通常铸形成两面均为流线型的布局形式。大口径蝶阀(DN≥1000)蝶板团体铸造会导致铸件自重和本钱增加,同时驱动摆设的驱动扭矩也需加大。大口径蝶阀的蝶板最思空见贯的款式是蝶板承压一侧为光滑龟背布局,另一侧为框架布局,以便在保障刚度和强度的同时加重自重(图2)。
    (a)蝶板反面(龟背侧)(b)蝶板侧面(框架侧)

    图2 框架势蝶板

            (2)蒙皮式蝶板
            为了减小流阻系数,提高疏浚功用,偶然将框架所形成的空腔以蒙皮覆盖。以某风洞DN2500蝶阀蝶板为例,该蝶阀蝶板蒙皮厚度为10mm的整块圆钢板,圆周偏袒拼焊在蝶板上,蒙皮两头和响应框架筋板间以塞焊法子固定(图3)。理论证明蒙皮式蝶板容易呈现裂纹,塞焊处易残落,个别蝶板塞焊处蒙皮有圆形放射状裂纹,同时向外隆起(图4)。随着风洞实验次数的增加,裂纹不断扩大,频仍补焊依然无奈杜绝该问题,说明仅仅通过补焊不能设计问题。

    图3 蒙皮式蝶板

    图4 塞焊点蒙皮豆剖(3)蒙皮开孔式蝶板
            经阐发,裂纹是由于阀门振动形成的,而隆起是由于蒙皮内腔压力大于内部压力而至。为了减小蒙皮两头压差,在蒙皮适合位置开均衡孔形成蒙皮开孔式蝶板。以某风洞DN2500蝶阀蝶板为例,该蝶板共开φ16mm的均衡孔341个,开孔面积率约为2.2%(图5)。开孔后现实运用造诣良好。


    图5 蒙皮开孔


            2.2 流场阐发    
            频年来,CFD方法获患了很大的发展,计较准确、界面友好,运用简单。当前,和三维CAD无缝集成的CFD软件SolidWorksCOSMOSFloWorks可直接运用SolidWorks所生成的和实物不同的模型来阐发。采取该软件阐发某超音速风洞不合蝶板布局情况下的流场。
            模仿参数按现实风洞实验条件给定,模仿实验介质为气氛,进口流速为32m/s,进进口外接收道长度各为阀门通径的5倍,进口压力为2.0MPa,进口压力为大气压。气流偏袒为现实运行偏袒,即从蝶板龟背侧管道向蝶板框架侧管道偏袒流动。
            图6所示为框架势蝶板流场。蝶阀全开时,龟背卑鄙存在低压区,蝶板框架侧由于空腔的影响,流速分布不均匀,压力梯度较大。


    (a)速度云图        (b)压力云图
    图6 框架势蝶板流场32m/s


    (a)速度云图         (b)压力云图
    图7 蒙皮式蝶板流场32m/s


            图7所示为蒙皮式蝶板流场。根据图示的流场云图来看,和框架势蝶板比照,增加蒙皮后蝶板框架侧由于蒙皮的作用,流场有所改良,压力分布较均匀,有部分压力梯度减小,不利于减小振动。
            图8所示为蒙皮开孔式蝶板流场。根据图示的流场云图阐发,和蒙皮式蝶板比照,蒙皮开孔后蝶板框架-蒙皮侧的速度和压力分布加倍均匀。由于蒙皮侧的气流场变得较为坚固也加重了对龟背侧气流场的干扰,从图8中可看出龟背侧涡流区比图7中的情况有显着的减小,不利于进一步缓解蝶板的振动。


    (a)速度云图          (b)压力云图
    图8 蒙皮开孔式蝶板流场32m/s


            3 蝶阀不合开度及其流场
            选取阀门开度为45%和10%的两种模范工况钻研阀门封闭过程的流场情况。按照风洞现实实验时的参数作为边界条件,蝶板形式以蒙皮开孔式布局为钻研对象。
            如图9云图所示,蝶阀开度为45%时,由于蝶板阻遏,流速分布呈现显着不均匀性,在双侧流道的中心区域,流速显着增加,并形成涡流。速度较大的区域会集在蝶板直径处(和阀杆垂直偏袒)的双侧狭隘流道区域,对管道冲击较大。由于在蝶板蒙皮侧存在有部分低压区,且经蝶板双侧流过的两股气体存在着较大的速度差,在蝶板蒙皮侧形成为了较大的旋涡。


    (a)速度云图        (b)压力云图
    图9 蝶板开度45%时的流场32m/s


            如图10云图所示,蝶板开度为10%时,其前部流速濒临为0,气流几近被堵住,和阀杆垂直偏袒的蝶板直径处双侧狭隘流道流速较快,且数值显着高于开度45%的情况。


    (a)速度云图         (b)压力云图
    图10 蝶板开度10%时的流场32m/s  比照图8、图9和图10,或许看出,蝶阀在封闭过程中,流场刚强较大,格外是在45%开度时涡流区域较大,这是导致阀体及管道强烈振动的主要原因。
            因此,在蝶阀封闭过程中必须减小阀门前后的压差,有效消沉阀门封闭过程中气流对阀体及管道的冲击,从而减少振动,消沉驱动摆设的负载,提高阀门的可靠性,延长阀门寿命。根据超音速风洞阀门零碎的布局和运行规律,采取增加小口径旁路阀的法子完成上述目标。如图11所示,电动蝶阀和液动蝶阀均增加一小口径旁路阀,用以均衡蝶阀前后的压差。在整个实验过程中,阀门零碎的工作流程为先掀开各自的旁路阀来消沉蝶阀前后压差,待压力基本均衡后,封锁旁路阀,尔后再掀开蝶阀,发展实验,实验竣事后,顺次封锁调压阀、液动蝶阀和电动蝶阀。从现实运用情况来看,该步伐极大地改良了蝶阀的运用工况,蝶阀封闭过程坚固,故障率消沉。


    图11 蝶阀两头增加旁路


            4 结语
            超音速风洞大口径蝶阀的蝶板可通过焊接蒙皮以及在蒙皮上开孔的法子来改良蝶板周围流场。通过在蝶阀两头增设旁路阀的法子可减小蝶阀封闭过程中气流对阀体及管道的冲击,减小振动。理论证明,所采取的上述两项步伐可有效消沉蝶阀的故障率,延长蝶阀的运用寿命,使风洞运行加倍安全可靠。
            参考文献
            〔1〕刘健,李福堂,蝶阀流场的数值模仿及阐发〔J〕.阀门,2008(3).
            〔2〕童成彪,COSMOSFloWorks在阀门流体阐发中的运用〔M〕.数字化规划,2008:66-69.

     

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