浅析调节阀的选型在工程设计中的应用

在工业自动化系统中,调节阀是一类应用最为广泛的执行机构。该阀门与液体直接相连,对液体的压力或流速进行控制。计量仪器经常被称为“眼睛”,是制造过程自动控制的重要组成部分。各种先进的控制原理、巧妙的控制理念、复杂的控制策略,都是通过执行机构来作用于被控对象。选择合适的阀门结构型式,流量特性,流量容量;选择合适的执行器输出扭矩或推力和冲程;它对实现自动化系统的稳定和经济合理具有非常重要的意义。若计算失误或选取不当,不仅会对系统的性能产生不利的影响,还会使整个系统失去控制效果,严重时甚至不能实现自动控制。有太多的例子表明,由于调节阀的选择不正确,造成了自动控制系统的振荡。所以,在设计自控系统时,对调节阀的设计和选择进行计算,是一个必须认真考虑的重要环节。为了满足特定的控制系统的需要,要选择合适的调节阀,就需要了解流体动力学的基础理论。全面掌握各类阀门的结构形式、特点,深刻理解被控对象及控制系统构成特点。阀门直径的确定是阀门选型的关键,而阀门直径的确定关键是流量的计算。流通量的计算方法是比较成熟的,可以通过计算机进行计算,但如何选择合适的参数是一门技术活,还需要仔细考虑。

船用三通调节阀流-固耦合噪声数值模拟

针对船用PN10DN32三通调节阀噪声声压频谱、声指向性等声学特性规律不明确,噪声声压级是否满足使用要求的问题,基于流-固耦合理论,同时考虑流-固耦合面及流体域内的脉动声学激励源,开展阀门噪声数值模拟研究。分别对三通调节阀在80%及60%开度阀外1 m处的噪声进行数值模拟,分析研究噪声声压频谱特性及声指向性规律。结果表明:80%及60%开度下的噪声声压级分别为49.14 dB(A)、50.79 dB(A),均小于60 dB(A)的噪声限制,满足使用要求。该文为船用三通调节阀噪声数值模拟提供了理论及方法参考。

调节阀多测点空化诱导振动敏感性分析

针对调节阀阀体不同测点处对流道内空化敏感性存在差异问题,开展了不同测点处空化诱导振动的差异性研究和空化发展状态敏感程度分析。搭建了调节阀空化振动加速度信号采集试验平台,同步采集了多测点处调节阀空化诱导振动的加速度信号。提出了加速度级比率和重心频率两个表征参数,并利用1/3倍频程谱对调节阀空化振动信号频谱进行划分,最终得到对空化发展最敏感的频带和测点位置。结果表明:调节阀阀体同一表面测点振动信号呈现相似性,不同表面测点信号差异性较大,即调节阀振动信号表现为各向异性;空化状态的发展主要引起中心频率10000 Hz以上的频带振动强度增大,适合作为监测调节阀空化状态的特征频带。

煤液化调节阀流场演变特性的测试与分析

利用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,简称PIV)和涡量分析原理对调节阀不同工况下的流场信息进行测量,研究了进口压力对液压调节阀速度场、涡量场及湍动能的影响。结果表明:调节阀节流口处有对冲射流,其在阀芯头部下游汇合后形成向下游的整体喷射;节流口下游的油液轴向速度先减小后增大,在喉部末尾处附近趋于稳定;在靠近壁面区域油液径向流动速度都较低,在流道中心区域流动速度较高;阀芯头部和下游流道存在由速度梯度引起的介质回流旋涡,高涡量区域主要分布在阀芯头部和壁面处,强的正涡与负涡呈2条斜形宽带分布;阀芯头部为高涡量区且具有贴壁特征,壁面附近高涡量区向下游延展;随着调节阀进口压力的增大,阀口流量、流场高速分布区域、旋涡的强度和尺度以及湍动能均随之增大。

压水堆核电机组汽机旁路调节阀降压结构选型分析

汽轮机旁路调节阀主要用于核电机组汽机旁排系统中排出核岛产生的大量蒸汽,是压水堆核电机组的重要阀门之一,其实现功能的关键部件便是降压结构。本文基于不同降压结构下的核电机组汽轮机旁路调节阀,例如套筒式多级降压结构调节阀及迷宫式多级降压结构调节阀,从结构设计、工作原理及运行维护等方面进行对比分析,经过分析得出各降压结构旁路调节阀优缺点。用户可根据核电厂的技术路线和具体需求选择相对适宜的产品。但在未来新建核电市场中,“套筒式+迷宫式”降压结构调节阀预计将有较广阔的应用前景。

气动调节阀粘滞故障检测与参数辨识方法研究

为了研究气动调节阀的粘滞特性问题,以CHEN粘滞模型作为阀门粘滞特性问题的基础模型,提出一种阀门粘滞故障的检测与改进的参数辨识方法。通过搭建粘滞故障试验台,模拟实际情况中发生不同程度粘滞时的阀杆运动状态,揭示阀门粘滞发生的机理。使用随机森林算法对振荡源进行分类,实现对粘滞故障的检测。使用基于Hammerstein模型的粒子群优化算法求解粘滞参数最优解,提出粘滞双参数取值范围的确定方法,实现欠补偿、无补偿和过补偿3种状态下的粘滞参数辨识。结果表明:阀门粘滞程度与阀杆所受动静摩擦力有关;在不考虑外界因素的影响下,提出的粘滞检测方法对4种振荡源的分类准确率达到99.0268%;提出的改进的粘滞参数辨识方法对不同大小粘滞参数的辨识结果误差达到7%以内。研究成果为阀门粘滞故障的检测和参数辨识提供了理论方法,对粘滞模型的改进具有实际参考价值。

球型调节阀液动力矩特性仿真及优化设计

为了获得液体火箭发动机调节阀的液动力矩特性,采用kubota空化模型和标准k-ε湍流模型针对某型调节阀在发动机运行工况下的空化流动开展了数值仿真研究,通过与液流实验数据的对比验证模型准确性,并定量分析了阀芯液动力矩的影响因素、分布特性和演化规律。研究结果表明:阀芯液动力矩大小取决于开度、压差和阀芯流道直径。相同压差下,开度由10°增加至80°,液动力矩单调增加,方向均为使阀芯关闭。相同开度下,压差分别增至3倍和5倍,液动力矩分别变化为原来的3倍和5倍左右。液动力矩分布主要由密封面力矩和主流道力矩两部分组成。随着开度的增加,密封面力矩先减小后增加,主流道力矩先增加后减小。阀芯流道直径由70 mm减小为60 mm,液动力矩最大值增加了24.5 N·m。这是因为相同发动机工况下,减小流道直径使得阀芯开度增加,主流道力矩增加数值大于密封面力矩减小数值,所以总液动力矩呈增加特征。提出了削去原始模型主流道下壁面区域的优化方案,优化模型在100%工况时液动力矩仅为13.2 N·m,且优化模型的流通面积保持不变。与降低流道直径的优化方案相比,所提出的针对主流道下壁面优化方案液动力矩最大值减小了94.4 N·m,大大减轻了控制电机的负荷,已成功经过多次发动机试车考核,提高了液体火箭发动机的可靠性,并为实现发动机轻量化提供了重要参考。

船用合流型三通调节阀声流固耦合声学特性研究

针对合流型三通调节阀噪声声压频谱、声指向性等声学特性规律不明确的问题,基于声流固耦合理论,以PN50 DN250三通调节阀为研究对象开展声学特性研究。基于k-ε模型分析阀门定常流动,在定常流动收敛的基础上开展LES非定常流动分析,并导出流固耦合面及流体域内的时域脉动信息作为噪声激励源,开展三通调节阀不同工况下的声学特性研究。搭建三通调节阀流噪声试验台,试验工况下数值模拟噪声与实测噪声声压仅相差1.85 dB(A),验证声流固耦合数值模拟方法的准确性。分别数值模拟阀门实际工况下80%及60%开度下的噪声声学特性,总结出阀门噪声声压级分别为51.18和54.13 dB(A),验证三通调节阀噪声满足使用要求,提出的声流固耦合数值模拟方法可为合流型三通调节阀声学特性分析提供一定参考。

氢氧火箭发动机流量调节阀动态仿真分析

流量调节阀是液体火箭发动机推力调节的关键部件,根据某型氢氧发动机流量调节阀的结构与工作原理,建立调节阀的动力学模型,并利用AMESim软件建立了流量调节阀的动态仿真模型。基于流量调节阀仿真模型进行了如下仿真工作:计算不同工况下调节阀的流量特性、验证调节阀的稳流特性、仿真分析调节阀动态特性、分析结构参数对调节阀动态特性的影响。仿真结果揭示了流量调节阀的流量与动态特性,为调节阀的改进优化提供了方向。

电站调节阀阀体结构参数对流阻特性的影响

为了系统研究阀体结构参数对调节阀流阻特性的影响,采用数值模拟的方法,建立电站调节阀阀体模型,结合正交试验设计,研究调节阀阀体不同结构参数对流阻特性的影响。结果表明:调节阀阀体的结构参数对流阻系数的影响程度依次为上腔半径>下腔高度>上腔高度>阀体半长>下腔半径>中腔半径,同时再对阀体的入口角度进行优化分析,得到入口角度越小,流阻系数越小。通过正交实验优化和入口角度优化后得到的最优结构,其流阻系数与原结构相比降低了19.45%,且流量特性曲线也更加理想。研究成果能够为套筒式调节阀的结构优化提供理论支持。

高精度文氏管调节阀流量特性仿真及试验

文氏管调节阀作为流量控制系统的核心组件,其流量特性对系统控制精度及稳定性具有决定性影响。研究了文氏管调节阀的流量特性,采用包络线法对阀芯型面进行了优化设计,并对优化设计结果进行了CFD仿真分析和试验验证。结果表明:抛物面型阀芯可实现调节阀通流面积与阀芯位移之间的线性变化;在出入口压比为0.5的工况下,CFD仿真模拟和调节阀水介质流量特性试验均验证了调节阀位移-流量曲线具有极高线性度,进一步说明了抛物面型阀芯设计准确有效。同时,通过可视化试验图像可知,由于空化流动状态发生改变,调节阀阀芯位移较小时流量系数曲线会出现剧烈波动。

基于爪极式磁悬浮力矩马达的流量调节阀

传统流量调节阀存在结构复杂、质量大、输出流量小等缺点,不适用于航空航天等特殊领域。设计了一种新型流量调节阀,该阀为旋转直驱式,具有输出流量大、结构简单、质量轻等优点。利用UG软件建立三维模型,介绍了该流量调节阀的工作原理。基于Workbench和Fluent软件,分别建立流量阀的强度校核模型和流体域模型,进行阀芯、阀套变形量仿真及稳态流场仿真。加工实验样机,进行流量调节阀的静态特性测试。结果表明:该流量调节阀总质量为375.5 g,当入口压力为4 MPa,出口压力为3.5 MPa时,最大输出流量为25.99 L/min,满足质量轻、输出流量大的使用需求。

直通调节阀内流场流道分析

随着油田的大量开发,油气井的工作情况更加复杂,一些出砂井常用螺杆泵,为了满足不同井深和产液量的需求,需要对压力调节阀进行检测。此次设计一种直通调节阀,在进出口压力一定的情况下,模拟仿真所设计的调节阀是否具有一定的稳定调节性能。调节阀又称控制阀,基于SOLIDWORKS三维模型,利用Fluent软件对其进行数值模拟,通过不同开度下的阀芯进行对比,通过分析压力云图、速度云图和流线图分析其流动规律。结果表明:(1)随着阀门开度的增大,阀芯阀座间流通面积变大,流速随着阀门开度的增加而减小。(2)随着阀门开度的不断增大,内流场压力会出现明显的变化。(3)随着阀门开度的增加,调节阀内流场会出现明显的漩涡。利用ANASYS软件进行流-固耦合,联合使用流场模块、静力场模块和温度场模块对调节阀内流场进行应力形变,当流体进入时,调节阀内流场发生应力形变比较稳定。以上所有模拟结果均符合实际情况,具有良好的稳定调节性能。

海上油气田调节阀选型计算与应用研究

调节阀是海上油气田过程控制系统中的重要组成部分,它的应用质量直接影响系统的调节品质。作为终端元件,除了调节阀产品本身的质量、现场的安装方式、生产人员的操作维修外,正确的选型和计算对于在海上油气田开发项目中使用调节阀来说十分重要。本文以国内海上平台某项目为例,主要介绍了常用的气动调节阀的选型方法及相关尺寸计算,通过在实际项目中的实践与应用,供相关海上设施项目参考借鉴。

基于流量调节阀的变量喷灌装置设计与试验

为实现Senninger i-Wob2型喷头的喷灌流量精准变量调节,在喷头前安装V型流量调节阀作为执行机构,通过阀体水力性能试验,建立阀前压力、阀体开度和喷头流量之间的数学关系,据此设计变量喷灌控制系统,实现喷灌流量的精准调节。研究结果表明:确定压力-开度-流量的数学模型特征流量系数KL为20.40,阀后压力预测系数KP为0.97,流量预测系数Kφ为7.08;喷头射程和流量在相对开度为60%前,随阀体开度变化较为明显;而在相对开度为60%后,射程与流量随相对开度的变化幅度越来越小;调节阀流量调节的稳态相对偏差不超过6.67%,调节时间不超过42 s,测量精度在96%以上。该研究实现了基于流量调节阀喷灌流量的精准控制,为流量调节阀在变量灌溉中的应用提供了数据支持。

基于高压密封的平衡单座调节阀设计与试验研究

针对目前高压密封工况,单一调节阀无法满足多种流量要求的现状,设计了一种高压工况用平衡单座调节阀。该阀阀芯设有平衡孔,设置密封圈与阀芯配合,密封圈嵌在平衡阀笼与降噪阀笼之间的安装槽内,阀芯的外锥面下方设有流量调节曲面,对其进行高压密封试验和阀芯运动性能试验。结果表明,在高压工况下,可降低驱动执行器配置,密封圈与阀芯配合密封优良;流量调节曲面配合阀芯调节流量,满足不同工况要求。高压密封试验的试验压力实际值为0.35 MPa,泄漏量设定值为9.46 L/min,实测泄漏量为1.21 L/min;阀芯运动性能试验包括全行程及全开关时间试验、漂移与抖动试验、始动偏差值试验、基本误差与回差试验和死区试验,试验结果均满足要求;平衡单座调节阀密封优良,开闭时间远小于设定时间、实际偏差小于设定额定偏差(2.50%),已无漂移和抖动,实际信号值和行程值均小于设定值,正反向误差均小于设定基本误差,回差均小于设定回差,死区均小于设定死区值。研究结果对高压工况用调节阀的设计具有参考价值。

基于S函数的调节阀粘滞特性检测方法

调节阀粘滞特性引起的振荡是工业控制回路性能恶化的最常见来源。目前虽然已有许多检测调节阀粘滞特性的方法,但这些方法的复杂性或存在的缺陷限制着其在实际工况中的具体应用。本文提出了一种检测过程控制回路中调节阀粘滞故障的新方法。该方法将控制器输出(OP)和过程变量(PV)的变化(ΔPV)在相平面图中所构成变化趋势与标准S函数进行对比,根据实际函数趋势与标准S函数间的差异计算相关系数,通过相关系数的数值具体得出调节阀中是否存在粘滞特性。仿真实例和实际工业数据分析实验验证了提出方法的有效性。

调节阀低温空化流动特性的数值仿真

采用数值计算的方法针对某型液体火箭发动机中液氧调节阀的流场分布和空化流动特性进行了研究。数值计算获得的阀门流通面积与液流实验数据基本吻合,验证了数值模型的准确性。分析了球阀内部流道压力、温度、涡和空穴结构的分布特性及不同工况下的演化规律。研究结果表明:液氧流经球阀,压力变化分为缓慢下降、急剧下降、急剧回升、缓慢下降和缓慢回升这5个阶段。在阀芯流道内部观察到了显著的Q等值面结构。相同压差时,水的空化数大于液氧。空穴结构主要分布在阀芯入口,随着空化数的降低,逐渐向流道内部发展。对于常温水,发生空化的临界空化数为1.38左右。空穴结构的发展受空化数和热力学效应的耦合影响。液氧温度从95 K上升到100 K时,空化数减小,名义温降增加,此时热力学效应影响起主导作用,空穴的发展受到抑制。

常规岛汽机旁路调节阀抗震性能研究

为防止常规岛汽机旁路调节阀在地震期间发生共振,致使调节阀与连接管道受到破坏,使用ANSYS软件中Modal模块,对DN 300 Class900汽机旁路调节阀进行模态分析,得到调节阀各阶自振频率。当调节阀的基频高于33 Hz时,使用等效静力法。对调节阀进行抗震分析,得到阀门整体及各部件的等效应力和变形。根据ASME BPVC-Ⅲ中对核级设备抗震的规定,对调节阀在承受地震载荷时的应力强度进行评定,结果表明:阀体、阀盖、阀杆、支架最大应力分别为133.63、77.52、29.46、71.54 MPa,中法兰螺栓最大拉应力为183.23 MPa,最大剪应力为15.36 MPa,均满足抗震强度要求。

单座调节阀流致振动仿真模拟分析

单座调节阀是过程工业系统中的重要元部件,因其常用于高温高压等工况下,其阀体结构在工作时会出现振动。严重的振动现象不仅会影响单座调节阀的调节能力,还会导致阀门关键结构的损坏。本文将提供一种基于ANSYS Transient Structural模块的单向瞬态流固耦合仿真模拟方法的模拟步骤,并分析单座调节阀流致振动强度与阀门压力工况之间的影响关系。结果表明单座调节阀流致振动强度随着阀门进出口压力差的降低而减小。本文为调节阀流致振动的影响因素分析提供了方法参考。