樊達宜，欒秀春

(哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150001)

調(diào)節(jié)閥是流體輸送系統(tǒng)中重要的控制部件，廣泛應(yīng)用于核電領(lǐng)域.核動力裝置對調(diào)節(jié)閥的性能要求都很高，不僅要確保調(diào)節(jié)品質(zhì)，還需要降低閥門功耗[1].節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥是哈爾濱工程大學(xué)研制的一種新型調(diào)節(jié)閥，用于流體輸送管道的流體壓力或流量的調(diào)節(jié)，特別適用于核動力裝置各回路系統(tǒng).它采用自身的高壓流體作為工質(zhì)，通過調(diào)整節(jié)流管端面與活塞中心處的軸向泄流孔端面之間的間隙來改變活塞兩側(cè)受控流體的壓差，進而使與活塞聯(lián)動的閥盤移動并精確平衡在所要求的位置上[2].

近年來，隨著計算機和計算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，數(shù)值模擬的優(yōu)越性越來越明顯，已經(jīng)開始用于研究流體機械的內(nèi)部流動[3].節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本文運用CFD軟件FLUENT對其內(nèi)部流場進行了三維數(shù)值模擬，并詳細研究了不同閥門結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場受力情況和閥門驅(qū)動電機功耗.

1 節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及三維建模

本文應(yīng)用三維建模軟件Pro/ENGINEER建立流道模型.

1.1 建立流道模型

圖1是節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)圖.它由閥體、閥盤組件、活塞組件、節(jié)流管組件、雙面法蘭以及閥門外圍部件構(gòu)成，流體從右側(cè)流入，左側(cè)流出.閥門公稱通徑為DN 80/100，設(shè)計壓力為4.2 MPa，工作壓力為(2.15±0.10)MPa，減壓壓力不低于0.5 MPa.

圖1 節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流道比較復(fù)雜，若直接對流道進行建模將面臨很大困難.本文首先建立閥門的實際模型，然后建立一個內(nèi)部無流道、但外部結(jié)構(gòu)尺寸和實際模型一樣的“實心體模型”，最后將兩者重合裝配為一個組件，對重合的閥門組件依次采取“編輯”、“元件操作”、“切除”操作，即得到閥門流道模型.為了減少計算量和節(jié)約計算機資源，對節(jié)流管內(nèi)部上半部分的流道做簡化處理，并采用流道的一半為計算區(qū)域，圖2為抽取出來的流道模型.

1.2 劃分計算網(wǎng)格

利用專業(yè)的前處理軟件ICEM－CFD對流道進行網(wǎng)格劃分，由于流道復(fù)雜，采用的是非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格.閥頭附近流體的速度與壓強的梯度很大，對此區(qū)域進行網(wǎng)格加密.流道網(wǎng)格劃分如圖3所示，節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥開度為30%，網(wǎng)格數(shù)量為79萬.

2 模擬計算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本算例采用計算流體力學(xué)軟件FLUENT對調(diào)節(jié)閥流場進行數(shù)值模擬.

2.1 邊界設(shè)置

啟動FLUENT，選用三維雙精度求解器，導(dǎo)入流道網(wǎng)格.采用三維穩(wěn)態(tài)隱性壓力基求解模型，湍流模型選用k－ε湍流模型;流體介質(zhì)采用水，作不可壓縮流體考慮，設(shè)置重力加速度為－9.8 m/s2;湍流強度取3%，設(shè)置進口面邊界為壓力進口(2 MPa)，入口水力直徑為0.08 m，出口面邊界為壓力出口(1 MPa)，出口水力直徑為0.1 m;采用SIMPLE算法和一階迎風(fēng)離散格式，殘差精度設(shè)為10－5，并監(jiān)控出口面的流量變化.

2.2 節(jié)流管組件機械傳動計算

節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行器機構(gòu)是一個小功率電機，其最大功率為25W，工作電壓220 V，電機設(shè)計參數(shù)為15 r/min.螺桿的螺紋是普通三角形螺紋，其公稱直徑為d=8 mm，螺距為1.25 mm，中徑為d2=7.188 mm.

螺套管每分鐘向下運動

螺套管運動速度為:

螺桿和螺母的材料均為鋼，查得螺紋副的摩擦系數(shù)f=0.17[4];

螺紋當(dāng)量摩擦角ρ'，其正切值為:

螺紋升角ψ是螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角，其正切值為[5]:

在螺桿和螺套管之間存在螺旋傳動，該螺紋副的傳動效率為:

假定電機的工作效率為100%，電機沿豎直軸線轉(zhuǎn)動，通過螺桿傳動向下的作用力[6].電機每轉(zhuǎn)動一周，螺桿也轉(zhuǎn)動一周，螺套管向下運動一個螺距的位移.設(shè)P為電機功率，P'為電機傳遞到的螺套管直線運動時的功率，而考慮螺紋副的傳動效率，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)化關(guān)系可以根據(jù)公稱直徑與螺距的關(guān)系(如圖4)得出:

圖4 公稱直徑與螺距的三角關(guān)系

根據(jù)功率、速度與力的關(guān)系:

電機帶動節(jié)流管向下勻速運動，由牛頓第二定律可知其作用力F'等于流體對節(jié)流管的壓力F，即

則電機消耗的功率P為:

其中:a≈0.0181 m/s.

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過上一小節(jié)的機械傳動計算可知電機功率和節(jié)流管壓力成正比，本文就是從減少節(jié)流管所受壓力的角度對流道進行優(yōu)化設(shè)計的.通過觀察流道結(jié)構(gòu)，可以通過減小閥體中的導(dǎo)氣孔直徑來減少閥門電機功耗(導(dǎo)氣孔結(jié)構(gòu)如圖2所示).

節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥閥體中的導(dǎo)氣孔實際直徑為6 mm，應(yīng)用Pro/E軟件改變節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥中導(dǎo)氣孔直徑，將直徑分別改為4、5、7、8 mm，并抽取各流道模型，劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入到FLUENT里進行數(shù)值模擬.表1為計算得出的節(jié)流管所受軸向壓力以及活塞的受力情況.

表1 改變閥體中導(dǎo)氣管直徑時節(jié)流管的受力

通過式(4)可計算出當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑為4、5、6、7、8 mm時，所對應(yīng)的電機功率分別為2.39、2.49、2.65、2.836、3.02W.

從圖5中可以看到，當(dāng)減小導(dǎo)氣孔直徑時，活塞上表面的壓力也隨之減小，活塞兩側(cè)流體的壓差也減小.活塞是帶動閥桿向下運動的主要動力，若過度減小導(dǎo)氣孔直徑，會影響到活塞的合力，進而影響閥門開啟.因此，適當(dāng)?shù)臏p小閥體中的導(dǎo)氣孔直徑，可有效節(jié)省閥門電機功耗.圖6為電機功率隨導(dǎo)氣孔直徑變化的曲線圖，從圖6中可以看到，改變調(diào)節(jié)閥閥體中的導(dǎo)氣孔直徑后，電機功率隨導(dǎo)氣孔直徑的變化很明顯.當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑大于閥門實際直徑時，電機功率隨著導(dǎo)氣孔直徑的增大而增大;當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑小于其實際直徑大小時，電機功率隨著直徑的減小而減小.

3 結(jié)語

減小節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的導(dǎo)氣孔直徑可有效降低電機功耗.通過對不同導(dǎo)氣孔直徑的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道進行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬以及節(jié)流管內(nèi)部機械傳動計算，得出流體對節(jié)流管端面處以及活塞兩側(cè)的壓力，求出閥門在不同導(dǎo)氣孔直徑大小時的電機功率.分析得知:導(dǎo)氣孔直徑減小時，電機功率減小;導(dǎo)氣孔直徑增大時，電機功率也隨之增大.

[1]張為人.閥門[M].上海:上海翻譯出版公司出版社，1987.

[2]韓偉實，沈明啟，韓 旭，等.精確定位閥芯的調(diào)節(jié)閥[P].中國專利:CN101430023，2009－05－13.

[3]王福軍.計算流體動力學(xué)分析－CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004:1－4、7－10.

[4]蔡春源，鄂中凱，白景鐘，等.機械零件設(shè)計手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1979:117.

[5]楊可楨，程光蘊.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，1998:132－135.

[6]張福江，李麗娜.關(guān)聯(lián)維在溢流閥故障診斷中的應(yīng)用研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，28(1):72－77.