1 調節閥簡介

    調節閥又稱控制閥，它是過程控制系統中用動力操作去改變介質流量的裝置，廣泛應用于核電、石化、冶金、電站等行業。調節閥由執行機構和閥門部件兩部分組成：執行機構是調節閥的驅動裝置，它按信號壓力的大小產生相應的推力，使推桿產生相應的位移，從而帶動閥芯動作；閥門部件是調節閥的調節部分，它直接與介質接觸，通過執行機構推桿的位移，改變調節閥的節流面積，達到調節的目的。

    套筒式調節閥是一種特殊的調節閥，典型結構如圖1所示。其閥體與直通單座式閥體相似，但閥內有一個圓形套筒。套筒四周有不同形狀的開口，根據流通能力大小來設計窗口的數量。利用套筒導向，閥芯可以在套筒中上、下移動，由于這種移動改變了套筒的節流面積，形成了各種流量特性，并實現流量的調節。由于套筒調節閥采用平衡型的閥芯結構，閥芯和套筒圓柱面導向，因此，不平衡力小，穩定性好，不易震蕩，從而改善原有閥芯容易損壞的現象。

圖1 套筒式調節閥典型結構

    2 固有流量特性及閥口設計計算

    調節閥的線性度影響著整個系統的性能，故它的流量特性非常重要。調節閥的固有流量特性是指閥前后壓差保持不變時，介質通過閥門的相對流量與閥門相對開度之間的關系。閥門的固有流量特性有快開、直線、等百分比和拋物線4種，由于在實際應用當中閥門流量特性發生畸變，故多采用等百分比流量特性。

    等百分比流量特性是指閥口單位相對開度變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比的關系，即調節閥的放大系數隨著流量的變化而變化。數學表達式如式（1）：

        （1）

    積分變換得：

        （2）

    根據邊界條件：l=0時，Q=Q_min；l=L時，Q=Q_max；

    計算得在理想狀態下可調比R=；可得流量系數

        （3）

    調節閥在整個系統中相當于一個可變節流元件，其節流原理與孔板節流相似，對于不可壓縮流體可以應用流體力學基本方程。應用連續性方程時，取閥口通徑為截面1，調節閥節流口節流面積為截面2。在應用伯努利方程時，假定調節閥水平安裝，故可忽略位置水頭的影響。在計算過程中流通面積A取cm²；閥前后壓差Δp=（p₁－p₂）取100kPa；流體密度ρ取g/cm³；流量Q取m³/h。即得調節閥流量計算公式為：

        （4）

    令：

    得調節閥過流面積與其流量系數的關系：

        （5）

    在已知調節閥各個開度下的流量系數的前提下，即可得出該時刻調節閥的開口面積大小，從而設計調節閥。

    套筒式調節閥采用平衡型的閥芯結構，根據流通能力的大小，套筒的窗口可以為多個、4個、2個或1個。文中所設計調節閥參數如下：公稱通徑DN=80，最大流量系數K_vmax=40，可調比R=50，閥芯行程為30mm。不同開度下的流量系數和開口面積如表1所示。

表1 流量系數與閥口面積計算值

    通過計算得到閥口過流面積的大小，就可以確定不同相對開度時套筒的閥口形狀，設計閥口如圖2所示。由于在小開度時調節閥的調節性能非常差，且實際使用中調節閥兩端的壓差是隨著開口變化而變化的，所以開度在30%～80%時流量調節性能最好。

圖2 套筒窗口計算尺寸

    3 數值模擬

    3.1 流道建模與網格劃分

    計算模型采用圖1所示的套筒式調節閥，通過三維建模軟件UG建立調節閥簡化結構，進出口直徑都為80mm，套筒窗口尺寸按設計計算值。進行仿真分析前，要對流體部分進行網格劃分，通過布爾運算得到調節閥在不同開度下的三維流道圖，并保存成.step格式。通過ICEM進行網格劃分，計算網格數為30萬。

    3.2 Fluent采用的設置

    將.msh文件導入Fluent設置后進行計算。該算例湍流模型采用標準的κ－ε模型，離散方程的求解方法，采用非結構網格上的SIMPLE算法，速度壓力場采用隱式的全場迭代解法，邊界條件規定進口總壓力與出口壓力，進口壓力設置為1000kPa，出口壓力設置為900kPa。設定好上述求解控制方程后，即可求解閥芯不同開度的模型。

    3.3 仿真結果與計算

    通過仿真計算結果可以得出調節閥不同開度下的相對流量系數，如表2所示。

表2 相對流量系數

    計算得到的流量系數與仿真結果曲線如圖3所示，二者在小開度時有一定誤差，這是由于在小開度時閥門內部結構的流阻系數對流量系數的影響較大，仿真過程簡化了一些復雜結構，使流阻減小。

圖3 設計流量特性曲線和仿真流量特性曲線

    4 結論

    （1）套筒式調節閥結構的特殊設計，使得閥芯不平衡力小，穩定性好，不易震蕩。在閥口兩側壓力固定的情況下，得出套筒式調節閥閥口近似計算式，得到閥口的過流面積。

    （2）在實際工況下，調節閥閥口兩端的壓力會隨著開度的變化而改變，即等百分比的固有流量特性在實際工況下會發生畸變，往往會畸變成線性。因此，等百分比固有流量特性的好壞直接影響著調節閥的實際使用性能。

    （3）通過CFD技術，仿真得到的調節閥流量特性曲線與計算的特性曲線非常接近，驗證了計算的準確性，縮短了調節閥的設計周期，提高了調節閥的調節性能。