全金属硬密封双向零泄漏三偏心蝶阀设计与分析

针对传统三偏心蝶阀承受一定压差或全压差的反向压力等问题,研究设计了一种全金属硬密封双向零泄漏三偏心蝶阀。该蝶阀为长寿命节能型,其采用三偏心原理设计,解决了传统偏心蝶阀在开启10°、关闭瞬间密封面仍处于滑动接触摩擦的缺陷,实现了蝶阀在开启瞬间密封面即分离、关闭接触即密封的效果。首先,对所设计蝶阀的不平衡力矩和允许压差进行了理论分析,并通过流体流动仿真分析了蝶阀开度不同时阀腔内流体的压力、速度和流动迹线,得到了蝶阀出入口的最大压力和最大速度随阀门开度的变化曲线。然后,通过热应力仿真分析得到了蝶阀的热力温度和合力热流量云图,并分析了蝶阀的热应力、热应变、安全系数的分布情况以及其最大热应力随流体温度的变化曲线,验证了蝶阀的热应力满足要求。最后,开展了蝶阀阀体耐压试验和正反向高压密封试验。试验结果表明,蝶阀阀体无可见渗漏和变形,且实测泄漏量均为零,说明该蝶阀的耐压强度和密封性能均满足使用要求。研究结果为三偏心蝶阀接触和摩擦的减少、开启力矩的降低以及使用寿命的延长提供了依据,所提出的全金属硬密封结构为三偏心蝶阀的双向零泄漏密封研究提供了新思路。

三偏心蝶阀硬密封结构的响应面优化

金属硬密封三偏心蝶阀在关闭状态下的密封比压决定着该阀的密封性能和工作寿命,优化金属硬密封部件的结构参数十分重要。以DN600三偏心蝶阀为研究对象,利用有限元分析法,分析密封面上密封比压分布规律。提出利用密封配合面周向间隙指标判断蝶阀的密封性能,利用Box-Behnken响应面优化方法对密封构件的结构进行优化,分析复合阀板座大、小径端切割厚度、复合阀板座直径及其交互作用对密封面最大密封比压的影响,得出最优设计方案。结果表明,在不影响蝶阀密封的前提下,优化复合阀板座参数后,密封面最大密封比压从202.96 MPa下降到128.44 MPa。对优化后蝶阀进行封闭打压密封实验,验证了其密封性能的可靠性。

桁架过流式三偏心蝶阀固液两相流冲蚀数值模拟

利用计算流体力学欧拉-拉格朗日法,对桁架过流式三偏心蝶阀进行了固液两相流冲蚀数值模拟研究。结果显示,阀门附近流通截面积缩小使得其附近流场压降变化剧烈,进而导致液相介质与其携带的固相颗粒速度增大,对阀座迎水面壁面造成严重冲蚀。随着阀门开度增大,阀门前后压力降低,液相介质和固相颗粒速度减小,阀座迎水壁面上冲蚀速率降低的同时冲蚀面积增大。阀门上冲蚀速率随着液相入口流速或固相颗粒质量流量的增大而增大,相同固相颗粒质量流量下,冲蚀频率和颗粒质量是决定冲蚀速率的主要因素。

三偏心蝶阀阀座在线测量方法

基于三偏心蝶阀阀座的结构特点和在线加工模型,对几种阀座尺寸的在线测量方法及优缺点进行分析,通过检测方法的优化和先进装备的应用,减少尺寸测量误差,便于关键尺寸在线实时修正,提升了阀座加工精度。

三偏心蝶阀密封副空间模型及应用

正确设计阀座和密封圈的密封面加工尺寸,是三偏心蝶阀密封副(阀座和密封圈)经过加工后在关闭时能够严密配合且实现良好密封的前提。本文从三偏心蝶阀密封副的偏心结构特征和坐标转换的原理出发,建立密封面所在空间的斜圆锥面方程和密封副截面椭圆方程,通过该空间模型方程可以确定三偏心结构参数之间的相互关系。通过该空间模型方程,可以通过计算确定三偏心蝶阀密封面加工时测量尺寸的方法。此外,在阀座或密封圈偏离设计加工尺寸时,通过偏心结构参数之间的关系计算,快速得出相应需要单独设计的阀座或密封圈的加工测量尺寸。三偏心蝶阀密封副空间模型的建立在蝶阀产品现实设计加工过程中具有重要应用价值。

三偏心蝶阀浮动式阀座结构综述

常规三偏心蝶阀由于阀座和密封圈的加工及装配误差的影响,只能满足单向密封的要求。为了提高三偏心蝶阀的反向密封性能,近年来,经过各个阀门厂家的验证,利用介质反向作用时的压力提高密封副密封比压的浮动式阀座结构,在蝶阀双向密封中取得了显著的效果。本文通过对三偏心蝶阀在反向介质作用时容易泄漏的原因进行分析总结,并介绍了不同蝶阀生产厂家采用不同型式的浮动式阀座结构的特点,指出了现有的浮动式阀座结构中螺钉存在容易松动的弊端,在此基础上对蝶阀密封结构进行了改进设计。改进后的密封结构保证了正、反向的可靠密封性,解决了螺钉容易松动脱落的问题。

四偏心蝶阀与三偏心蝶阀流量特性对比分析

为了解四偏心蝶阀和三偏心蝶阀的流量特性及差别,介绍了两者的结构特点。分别建立两者的三维几何模型,使用CFD方法对四偏心蝶阀和三偏心蝶阀进行数值仿真,通过后处理读取流场数据,得到了两者在各开度下的流量系数及流量特性差别。通过读取各开度的流道横截面面积,分析了流道喉部位置的变化规律以及流量特性差异的主要原因。研究结果表明,四偏心蝶阀在大开度下的流通能力明显优于三偏心蝶阀,但在小开度下,两者流通能力差别不大,四偏心蝶阀的流量系数甚至略小一些。因此,在设计和选型中,应充分考虑两者流量特性的全行程差异。

三偏心蝶阀热棘轮效应的数值模拟

为了探讨热棘轮效应对三偏心金属硬密封蝶阀密封副热变形及密封性能的影响,先排除了蝶阀发生塑性垮塌失效、密封结构在数次常温与高温交变循环载荷作用下发生疲劳失效的可能性,然后通过ANSYS Workbench有限元分析软件对三偏心蝶阀进行常温与高温交变循环载荷下的热棘轮效应研究,基于Chaboche非线性随动强化模型对三偏心蝶阀进行10次温度循环加载分析。结果表明:高温工况下阀座内环面与阀体外壁面的最大温差约为60℃,温度降低到常温后阀座的最大塑性应变随循环次数的增加出现渐增性塑性累积;10次温度循环后阀座的最大塑性应变为0.02116,阀座在温度循环载荷的作用下发生热棘轮效应;在第5次温度交变循环之后,阀座与密封圈的最大径向变形分别为0.2844 mm和0.2753 mm;阀座的最大径向变形大于密封圈的最大径向变形,阀座的残余变形导致密封面出现间隙,证明三偏心蝶阀出现密封失效现象是由于阀座发生热棘轮效应导致的。对阀体外壁面进行良好保温后,经有限元计算阀座未发生棘轮效应,可见对阀体进行良好保温是避免因阀座发生棘轮效应而出现密封失效的有效手段。该研究结果揭示了蝶阀在数次常温与高温交变循环载荷作用下出现密封失效的原因,并提出相应的防范措施。这对相同工况下的其他类型阀门和压力管道等设备避免发生热棘轮效应具有十分重要的指导意义。

液氢用低温三偏心蝶阀的反向密封性能分析

针对液氢用低温三偏心蝶阀较难现实反向密封的问题,对三偏心蝶阀在实现反向密封过程中出现的泄漏问题进行分析,探讨了三偏心蝶阀密封的影响因素,研究了三偏心蝶阀反向密封时蝶板的变形。结果表明:在流体反向流动时,解决蝶阀密封副的密封比压,是解决液氢用低温蝶阀反向密封的关键;三偏心蝶阀密封副的密封比压与其过盈配合设计相关;三偏心蝶阀密封圈的密封面边线是形成接触密封的关键位置,将过渡区的面密封改为线密封,有利于降低三偏心蝶阀在关闭时密封圈对阀座的磨损程度,为确保蝶阀形成有效的反向密封,蝶阀关闭时须在密封面上形成连续的密封比压;通过对蝶板和阀座结构采取加大密封部件的刚度和提高密封副的结合程度等优化设计措施,可实现三偏心蝶阀的反向承压密封的功能。选取Class150 NPS42三偏心蝶阀,使用氦气测试其在液氮(-196℃)环境下的反向密封性能,通过试验验证,低温蝶阀在设计压差内的泄漏量不能超过4 L/min,满足并优于标准允许的泄漏值,研究结果可为液氢用低温三偏心蝶阀的设计提供参考依据。

基于操作力矩的三偏心蝶阀动作特性研究

针对三偏心蝶阀开阀过程中易出现阀轴运动不平稳、卡涩故障等问题,基于三偏心蝶阀研究操作力矩及其动作特性。利用有限元仿真软件Fluent对三偏心蝶阀不同开度与压差下的内部流场状态、动水力矩及其系数进行模拟计算,并通过实验验证仿真结果的准确性;利用三偏心蝶阀操作力矩计算公式对实验阀门进行数值计算,分析动作过程中操作扭矩随开度的变化;最后利用仿真平台AMESim对单作用气动执行器系统进行建模,分析操作力矩对开阀动作时间及蝶板稳定性的影响。结果表明:随着压差的增加,动水力矩的最大值向小开度偏移,在60°~75°开度区间达到最大值;蝶阀的压差越大,阀轴动作时间越长且越不稳定,0.1、0.3 MPa压差下三偏心蝶阀动作时间分别增加了4.4%、10.7%;增加气缸直径、弹簧刚度可增加动作的稳定性。

基于CFD方法的大口径三偏心蝶阀动水力矩计算

为解决大口径三偏心蝶阀在工程应用中遇到的阀板停滞、无法继续打开的问题,使用CFD方法,对三偏心蝶阀各个开度进行了数值仿真,得到了完整的可视化流场信息。通过截取流体区域中截面上的速度与压力分布云图,直观地展现了不同开度下流场的变化趋势。通过分析阀板承受的流体冲击力和压力的变化特征,归纳了动水力矩的发展趋势和成因。通过后处理读取流场数据,得到了动水力矩大小随三偏心蝶阀开度的变化关系。通过对比蝶阀阻力矩与执行机构输出力矩曲线,分析了问题发生的原因,并给出了合理的建议。研究结果表明,CFD方法对于三偏心蝶阀动水力矩的准确求解行之有效,也为执行机构的选型搭配提供了参考依据。

三偏心蝶阀扭矩计算及气控回路设计

为满足日益严苛的工况要求,蝶阀自问世以来,不断进行自我完善和优化,适应了不同工作环境,满足不同工作要求。衡量三偏心蝶阀质量好坏的标准是阀门的使用性能及使用寿命,经分析后发现,影响寿命的一个关键因素为阀门扭矩。为此,三偏心蝶阀的扭矩计算方法及扭矩控制,对提高阀门的使用寿命至关重要。同时,好的控制回路可以让流体控制更加简单、可靠、智能。

基于CFD的三偏心蝶阀的流场特性研究及优化

由于三偏心蝶阀结构的特殊性,对其内部流场的流动性能进行了深入研究。建立了三偏心蝶阀的几何模型,对其内部流场进行模拟,获得了阀门的流量系数、流阻系数,并分析了阀门的轴向偏心、径向偏心和角度偏心与流量系数、流阻系数之间的变化规律,得知:角度偏心的数值大小与流通能力近似成反比;径向偏心值与阀门流通能力近似成正比,且影响大于角度偏心;而轴向偏心值对于阀门的流通能力几乎没有影响。采用正交试验法对三个偏心进行优化,降低流阻系数,提高流量系数,改善阀门流通性能。

三偏心蝶阀振动特性分析

三偏心蝶阀广泛的应用于多种多样的工业,如水量分配、下水道、石油与天然气发电厂等等,而三偏心蝶阀中的蝶板和阀杆的振动在其结构设计和应用中起着重要的作用,且目前关于三偏心蝶阀中蝶板和阀杆的振动特性的研究较少。在蝶阀工作中,若蝶板的固有频率与流过蝶板后产生的卡门涡的脱落频率过于接近,则二者就会产生共振而毁坏三偏心蝶阀甚至影响整台机器正常运行。为了比较三偏心蝶板和阀杆的振动频率与流过蝶板产生的卡门涡的脱落频率的大小,运用了ANSYS有限元分析方法结合实验验证的方式计算出三偏心蝶板和阀杆的固有频率,再根据计算卡门涡的脱落频率的经验公式得出流过蝶板后产生的卡门涡的脱落频率,得出二者不发生共振的充分条件,此外,也论述了蝶板和阀杆的振动对蝶阀密封性的影响。

三偏心蝶阀反向承压密封问题的有限元研究

应用ansys软件对通径DN300、工作压力PN3.5MPa的三偏心金属蝶阀反向承压密封面接触问题进行了非线性有限元分析,得到反向承压密封时有无预压紧了的条件下蝶阀的应力应变图,通过有限元计算结果分析得到了三偏心金属蝶阀必须通过对阀轴理论装配位置偏移给蝶板预加合适的压紧力,才能够实现反向承压密封。研究对"双向零泄漏"三偏心蝶阀的结构设计有指导意义。

三偏心蝶阀的流场和阻力特性研究

通过流阻试验获得了直径为680mm的三偏心蝶阀在不同开度和速度下的流阻系数。以试验结果为基础验证湍流模型,选择SST模型作为湍流模型,建立获得三偏心蝶阀详细流场的数值模型。利用该数值模型对试验蝶阀在90°、70°、50°开度下的流场和流阻系数进行预测,90°代表全开。试验结果表明,50°开度的流阻系数值约为90°开度流阻系数值的9倍;三偏心蝶阀全开时的流阻系数值约为中线蝶阀全开时流阻系数值的6倍。数值分析表明,全开状态下,三偏心蝶阀阀板处存在的漩涡比中线蝶阀多,可对三偏心蝶阀阀板形状进行优化,以减小流阻系数;随着开度减小,流体的流动产生与阀板关闭方向一致的力矩,帮助阀板关闭。

三偏心蝶阀摩擦力矩分析

通过对三偏心蝶阀蝶板的静力分析,推导出三偏心蝶阀的摩擦力矩,并且分析了径向偏心距、轴向偏心距以及偏心角对摩擦力矩的影响。

三偏心蝶阀密封接触问题的有限元分析

对三偏心金属蝶阀密封面接触问题进行了非线性有限元分析,阐明了其理论依据。数值模拟过程中,充分考虑了轴向偏心、径向偏心、角偏心的设计参数对密封面密封比压的影响,以DN 300口径、PN 5 MPa工作压力的三偏心金属蝶阀为例,得到其密封时的应力分布,对满足一定压力下“双向零泄漏”三偏心蝶阀的结构优化有指导意义。

三偏心蝶阀的动水力矩计算

利用理想流体的定常、无旋流动的假定,用有限差分法在直角坐标系中求解拉普拉斯方程,得到蝶板截面上的压力分布,从而计算出蝶板在各个开度下的动水力矩,这种方法对于计算对称或非对称蝶阀的力矩十分可行.另外还设计了求解的程序并给出了动水力矩曲线.

基于C#.NET的三偏心蝶阀干涉分析软件的研究

结合三偏心蝶阀密封面的启闭性能角,建立等角度刨切计算模型,分析三偏心蝶阀蝶板运动干涉,以C#高级语言为工具,开发了三偏心蝶阀密封面干涉的设计软件,经过干涉分析软件的计算,得到三偏心蝶阀密封面的干涉情况,为设计人员提供准确、快捷的一种设计方法。