过流阀介质升力特性和弹簧刚度分析.pdf

第 4 4卷第 5期 2 0 1 5年 9月 石油化工设备 PE TRO CHEMI CAL EQUI PMENT Vo 1 ． 44 No ．5 Se p t ． 2 015 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 5 0 5 0 0 4 4 0 5 过流阀介质升力特性和弹簧刚度分析 赵益春 ， 马静 北京航天 动力研究所 ，北京 1 0 0 0 7 6 摘要 根据 AS T M F 1 8 0 2 2 0 1 O 过流阀性能的测试方法 的要求设计 了过流阀的试验 系统， 分析 了过 流 阀试验过 程 中不 同介 质条 件 下关 闭流量 的关 系， 并 用 流场 分析 的 方 法计 算 阀 门的介 质 升 力 随 阀瓣 开启 高度 的 变化 规律 。对 应 用阀 门升 力 变化 曲线 图设 计 阀瓣的初 始开 启 高度 和 弹簧刚 度的 方法进行 了分析 ， 通过试验研 究了弹簧刚度对阀门关闭特性的影响。结果表明， 应用阀门升力变化 曲线图设计阀瓣初始开启高度和弹簧刚度的方法不仅可行， 而且能够大幅缩短 阀门的研制周期 。 关键 词 过流阀；升力；弹簧刚度；分析 中图分类 号 TQO 5 5 ． 8 1 ；T E 9 6 9 文 献标志 码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 1 0 Ana l y s i s o f Ex c e s s Fl o w Va l v e Li q u i d Li f t Ch a r a c t e r i s t i c a n d S p r i n g Ra t e ZHAO Yi c hu n，M A J i n g B e i j i n g Ae r o s p a c e P r o p u l s i o n I n s t i t u t e ，Be i j i n g 1 0 0 0 7 6，Ch i n a Ab s t r a c t Ac e o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t 0 {AS TM F 1 8 O 2 2 O 1 0 S t a n d a r d 7 e s t Me t h o d fo r Pe r f o r ma n c e T e s t i n g o f E x c e s s F l o w V a l v e s s t a n d a r d ，t h e v a l v e ’ S t e s t s y s t e m i s d e s i g n e d a n d t h e t r i p f l o w r e l a t i o n s h i p o f d i f f e r e n t t e s t r e s u l t s i n d i f f e r e n t me d i a i s a n a l y z e d ．Th e v a l v e ’ 8 l i q u i d l i f t va r i e t y of hi g h d i s pl a c e me n t i s c o mpu t e d by t h e a na l y s i s o f f l o w f i e l d．Th e d e s i g n me t ho d of t h e f i r s t h i gh d i s pl a c e me n t a n d s pr i n g r a t e i s t he o r e t i c a l l y a na l y z e d by t he d r a wi n g of l i qu i d l i f t v a r i e t y．The i nf l u e nc e o f s p r i ng r a t e on t he t r i p c ha r a c t e r i s t i c i s a n a l y z e d by t he v a l v e’ S t e s t ．I n r 8 ] ETS U a n d W s At k i n s C o n s u l t a n t s Lt d ． ．C o mp a c t He a t E x c h a n g e r s --a T r a i n i n g P a c k a g e f o r E n g i n e e r s [ E B ／ 0 L ] ． h t t p | { n ． t a o d o c s ． c o m／ p - 5 7 2 2 1 3 2 ． h t m1 ． [ 9 ] 倪晓华 ， 夏清．板式换热器 的换热 与压 降计算[ J ] ．流 体机械 ， 2 0 0 2 ， 3 0 3 2 2 2 5 ． NI Xi a o h u a，XI A Qi n g ．Ca l c u l a t i o n s o f He a t Tr a n s f e r a n d P r e s s u r e D r o p i n P l a t e He a t E x c h a n g e r s [ J ] ． Fl u i d Mac hi ne r y，2 002， 30 3 2 2 2 5． [ 1 O ]R a j u K S N，C h a n d J ．C o n s i d e r t h e P l a t e He a t E x c h a n g e r [ J ] ．C h e mi c a l E n g i n e e r i n g ，1 9 8 0 ，8 7 1 6 1 3 3 1 44 ． [ 1 1 ]幡野佐 一． 换热器 [ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 1 9 8 7 69 ． F AN Y E Z u o y i ．He a t E x c h a n g e r s [ M] ． B e i j i n g Ch e mi c a l I n d u s t r y Pr e s s ，1 9 8 7 6 9 ． r 1 2 ] Ku ma r H． Co n d e n s a t i o n Du t i e s i n Pl a t e He a t Ex c h a n g e r s [ R] ．S y mp o s i u m o n C o n d e n s e r T h e o r y a n d Pr a e t i c e， 1 9 83 ． [ 1 3 ]李安 军，官兵 ，陈 晓庆 ，等．板 式换 热器 板 间流体 流 动与传热分析 [ J ] ．甘肃科技 ，2 0 1 3 ，2 9 1 3 5 8 6 O ． LI An _ j u n ，GONG B i n g，CHEN Xi a o q i n g，e t a 1 ． F l u i d Fl o w a n d He a t Tr a n s f e r An a l y s i s i n P l a t e He a t E x c h a n g e r [ J ] ．G a n s u S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，2 0 1 3 ， 29 1 3 58 6 0． [ 1 4 ]B o t t T R ．F o u l i n g o f He a t E x c h a n g e r s [- M] ．A ms t e r d a mEl s e v i e r S c i e n c e Te c h n o l o g y B o o k s ， 1 9 9 5 ． [ 1 5 ]李钟宝． 防腐涂 层换 热器 的应用 E J ] ． 化 工 时刊 ，1 9 9 4 1 2 1 8 - 2 0 ． LI Z h o n g b a o ．Th e Ap p l i c a t i o n o f An t i c o r r o s i o n Co a t e d He a E x c h a n g e r [ J ] ． C h e mi c a l I n d u s t r y Ti me s ， 1 9 9 4 1 2 1 8 - 2 0 ． 杜编 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 1 9 作者简介 赵益春 1 9 8 2 一 ， 男 ， 江苏扬州人 ， 高级工程师 ， 硕士 ， 从事 阀门设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 5 年第 4 4 卷 为压 力 出 口， 出 口压 力 为使 过 流 阀 流量 为 关 闭 流量 的压 力 ， 温 度为 2 8 6 K。 介质 为丙烯 ， 调节 出 口压力 ， 使质量 流量 大约 为 2 0 0 0 k g ／ h ， 计 算 介 质 对 阀瓣 及 阀杆 的作 用 力 。将 介质 作用 在运 动部件 阀瓣 和 阀杆 表 面上 的力定 义 为 升力 ， 调节过 流 阀 阀瓣 开启 高 度 可 以 得 到不 同阀 瓣开启高度下的升力 ， 计算结果见表 1 ⋯ 。 表 1 不同阀瓣开启高度时数值模拟 结果 根据表 1的计算结果 ， 过流 阀介质 升力随着阀 门的开启 高度减 小而 增加 。开启 高 度 小 于 2 ． 4 mm 时 ， 随着 开启高 度 的减小 升力迅 速增加 ， 开 启高度 大 于 2 ． 4 mm 时， 随着开启高度的减小升力缓慢增加， 所以确定 阀门的初始开启高度为2 ． 4 mm。 在 阀瓣运 动过 程 中， 图 1中阀体 和 阀 瓣 间 的 间 隙环面 A 面面 积不 随 阀瓣 的位 置 变化 而 变 化 ， 图 1 中 B面面积 随阀瓣开启高度 的增加而增加 。过流 阀运动部件在阀瓣开启高度为 2 ． 4 mm时数值模拟 的压力云图见图 4 。从图 4可以看出， 开启状态时， 嚣 _ 998恤 巨 图 4过流阀运 动部件上 的力 随阀瓣位移 数值模拟压力云图 介 质压力 自人 口向 出 口逐渐 降低 ， 这 种 压力 差 产 生 的升力方 向向下， 而弹簧受压缩， 运动部件所受的弹 簧 力 向上 。 由图 4还 可 看 出 ， 过 流 阀压 力 产 生 突变 的位置在 B位置 图 1 ， 即阀瓣的开启高度对过流 阀 内部 的 流 场 有 较 大 的影 响 。在 过 流 阀关 闭过 程 中 ， 希 望升力 大 于弹簧作 用力 时 阀门立刻 关闭 ， 而不 要停留在中间某个状态 。 综 上 所 述 ， 确定 阀瓣 开启 高度 的范 围可 以参 考 以下 因素 ①确保 在这 个开启 高度 附近 ， 随着 阀 门的 关 闭 开启 高度 的减 小 ， 介 质 升 力 逐渐 远 大 于 弹簧 力 。②为保 证关 闭 流 量稳 定 ， 阀 门在初 始 开 启 高度 时 ， 介质作 用力 不能 太小 ， 保 证其值 在 1 O N 以上 。 2 ． 2 弹簧刚度 弹 簧参数 的确定 主要 包括 弹簧初 始压缩 力 和弹 簧 刚度 ， 其 中弹簧初 始 压 缩 力应 等 于 初 始 开启 高 度 时介质 的升 力 。从 阀 门系列 化 设 计 的 角度 来 看 ， 希 望 弹簧 刚度值 越大 越 好 ， 这 样 1 根 弹簧 能 适应 多个 阀 门关 闭流 量 的工 况 ， 便 于 阀门企业 降低 成本 ， 但 刚 度过 大可能 导致 阀 门关 闭 困难 。 为分析弹簧刚度对 阀门动作性能的影响， 分别 设计 2根 刚度不 同 的弹 簧 进行 讨 论 ， 弹簧 1的 刚度 1 ． 1 7 N／ m， 弹簧 2的刚度 2 0 N／ m。2根 弹簧在开 启高 度 2 ． 4 mm 时 的压 缩 力 均 为 1 1 ． 0 4 N， 根 据 初 始压 缩力 、 弹簧 刚度 和 阀 门安 装 弹 簧 的 空 间可 计 算 出弹簧具体参数。2根弹簧在不 同开启高度下 的压 缩 力见 表 2 。 表 2 弹 簧在不 同开启高度下的压缩力 将 2根弹簧在不同开启高度下的压缩力及介质 升 力数 据绘制 成 曲线 ， 见 图 5 。 由图 5可 见 ， 在 开 启 高度小 于 2 ． 4 mm 时 ， 弹簧 1压缩 力 始 终 小 于介 质 升力 ， 且在开 启高 度减小 阀门关 闭 的过 程 中 ， 介质 升力和弹簧 1的压缩力的差值越来越大 ， 阀门关 闭 过程稳 定 。在开 启 高度 小 于 2 ． 4 mm 时 ， 介 质 升力 先小 于弹簧 2的压缩 力 、 然 后 再 大 于 弹簧 2的压缩 力 ， 介质升力与弹簧 2的压缩力须经历一个相等的 情况 后其 差值 才会 越来 越 大 ， 这 样 就 容 易 导致 阀 门 关闭时出现颤振等关闭过程不稳定的情况 。 3 试 验验证 3 ． 1 试验系统设计 根据 AS T M F 1 8 0 2 -- 2 0 1 0 过流 阀性能 的测试 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵 益 眷 ， 等 过 流 阀 介 质 升 塑 竺 至 坌 4 7 第 5期 ． 繁 备 用 鋈 辜 鉴 ’ 、 6 。 、 6 力通过高压空气控制。图 中的买线衣 小蚶’ 图 6 过流 阀试验 系统 原理 图 墨 菜 篙 琶 试验后在设备中使用容易出现提 日 u 大闭 旧 ’ 3 3 讨程中主要通过调节弹簧的初始压 一 篙 毒 苎 来 薹 曩 蠹 主 暑 ，羹 薹 N 5O m m 妻 2 o o o 啼 ⋯ ‘ 11 ． 04 N , 蓑 雩 嚣 簧 2 的 1] 茎 蒿 薹 2 篙 茎 稳 定 ，但弹簧 关闭状态发生耍 贝 掀’ 且大川 里训 3 2 流阀的介质是掳丙烯等化 下立 实 姜 工产品。但本例采用水为介质迓仃 ’ 分析 体介质中 弹簧力相等时， 过流闽在水利 匕做 川 ㈩ 之 m ／ s ；ID 为 介 质 密 度 P 1 为 水 明 苗 厦 ’ ～ ㈤ 不会 结果表 明， 使用弹簧 1的过流阀关 闭 篙 茎 迅 速 21 3 8 稳定 -- 2 0 0 9 小 于 F 天然气设管用赳稠 ’ ’ s 规定 的 S ％ o ， 试验结果 与流场计算结果 比彰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 石油化工设备 2 O 1 5年第 4 4卷 理论分析和试验证 明， 采用弹簧 1的设计方法 确定弹簧刚度是可行 的。此外 ， 可用数值计算方法 对 弹簧初 始压 缩力 进行 预 判 ， 通 过 选 择 少量 不 同刚 度 的弹簧 进行 试验 验证 ， 有效减 少弹 簧 的验证数 量 ， 大 幅减 少产 品的研 制周 期 。 4 结语 [ 6 ] [ 7 ] 应 用根据 AS TM F 1 8 0 2 -- 2 0 1 0 { 过 流 阀性 能 的 测试方法 _ 】 ] 要求设计 的过流 阀试验系统 ， 通过试 验 分析 了弹簧 刚度 对 阀门关 闭特性 的影 响 。过 流 阀 r 8 ] 的试验 结果表 明 ， 应 用按 流 场 分 析方 法 得 到 的过 流 阀升力 变化 曲线 图设计 过流 阀初 始开启 高度 和弹簧 刚度 的方法 不仅 是可 行 的 ， 而 且 能够 大 幅缩 短 阀 门 的研制周期 。 参 考 文献 [ 1 ] 李 贵杰 ， 刘吉 学 ， 刘 东菊 ， 等．带 过流 阀的紧急切 断阀 改进 与设计 [ J ] ．阀门， 2 0 0 8 4 5 - 8 ． LI Gu i j i e ，LI U J i x u e ，L I U Do n g j u，e t a 1 ．De s i g n a n d I mpr o ve me nt o f Em e r g e nc y Cu t o f f Va l v e Eq ui p p e d w i t h O v e r F l o w V a l v e [ J ] ．Va l v e ， 2 0 0 8 4 5 - 8 ． [ 2 ] 韩宁． 应用 F l u e n t 研究 阀门内部流 场[ D] ．武汉 武汉 大学 ， 2 0 0 5 ． HANG Ni ng ． Re s e ar c h Va l v e I nt e r i or Fl ow Fi e l d B a s e o n F l u e n t[ D] ． Wu h a n Wu h a n Un i v e r s i t y ， 2 005 ． [ 3 ] 翟启超 ， 刘殿 坤 ， 陈殿京．弹簧直接载荷 式安全 阀升力 特性计算方法[ J ] ．阀门， 2 0 1 1 3 1 4 ． ZHAI Qi c h a o， L I U Di a n - k u n， CHEN Di a n j i n g ． Ca l c u l a t i o n M e t h o d o f Li f t i n g Ch a r a c t e r i s t i c f o r S p r i n g L o a d e d S a f e t y V a l v e s [ J ] ．V a l v e ， 2 0 1 1 3 1 - 4 ． [ 4 ] 陶正良， 蔡定硕 ， 严春雷．电站调节 阀内流场 的三 维数 值模 拟及 实验 研 究 [ J ] ．工 程 热 物 理 学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 1 6 3 6 5 ． TA0 Zhe ng l i a ng，CAI Di ng s hu o， YAN Ch un l e i ． Thr e e Di me ns i o na l Nume r i c a l Si mul a t i on a nd Ex pe r i me n t a l St u dy on Fl u i d Fi e l d of Con t r o l Va l v e i n Po we r S t a t i o n[ J ] ．J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g T h e r mo p h y s i e s ， 2 0 0 3，2 4 1 6 3 - 6 5 ． [ 5 ] 练章华， 刘 干， 易 浩， 等．高压节流阀流场分析及其结 构改进[ J ] ．石油机械 ， 2 0 0 4 ， 3 2 9 2 3 2 5 ． LI AN Zha n g hu a，LI U Ga n，YI Ha o，e t a 1 ． The A n a l y s i s a n d S t r u c t u r a l I mp r o v e me n t o f Th r o t t l e Va l v e _ J ] ．C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n e r y ，2 0 0 4 ， 3 2 9 2 3 2 5． [ 9 ] [ 1 O ] 阎超．计 算流体力学方法及应用[ M] ．北京 北京航空 航天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． YAN Cha o．The M e t h od of Comp ut a t i on a l Fl u i d Dy n a mi c s a n d I t s A p p l i c a t i o n [ M] ．B e i j i n g B e i h a n g Un i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 6 ． 陈懋 章． 粘性流体动力学基础 [ M] ．北 京 高等教育 出 版社 ， 2 0 0 2 ． CH EN Ma o z ha ng ． Fu nd a me nt a l s o f Vi s c ous Fl ui d D y n a mi c s[ M ] ．B e ij i n g Hi g h e r E d u c a t i o n P r e s s ， 2 O O2． 于勇．F l u e n t 入 门与进 阶教程[ M] ．北 京 北京理工 大 学 出 版社 ， 2 0 0 8 ． YU Yon g．Fl ue n t I nt r od uc t i o n a n d Adv a nc e d Tu t or i a l s E M] ． B e i j i n g B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y P r e s s ， 2 00 8． 吴望一．流体力学[ M] ．北京 北京大学出版社 ， 1 9 8 3 ． WU Wa n g y i ．F l u i d Me c h a n i c s [ M] ．B e i j i n g P e k i n g Uni v e r s i t y Pr e s s ， 1 98 3 ． 周桐．核 电主汽阀关 闭流 场 的二维 动态模 拟[ D] ．上 海 上海交通大学 ， 2 0 1 2 ． ZHOU To n g ．2 D Fl o w Fi e l d Dy n a mi c S i m u l a t i o n o f Nu c l e a r Ma i n S t e a m I s o l a t i o n Va l v e [ D] ．S h a n g h a i S h a n g h a i J i a o t o n g Wn i v e r s i t y ， 2 0 1 2 ． [ 1 1 ]莫子勇 ， 吴 张永 ， 杨文勇 ， 等 高速开关 阀流 场分 析 E J ] ． 95 ． 基于 C F D 的水基超磁致 液 压 与气 动， 2 0 1 1 9 9 3 一 M Zi y o ng，W U Zh a ng y o ng，YANG W e n yo ng，e t a 1 ．An a l y s i s o f t h e F l o w F i e l d f o r t h e W a t e r - b a s e d HY d r a u l i c GMM Hi g h - s p e e d o n／o f f Va l v e b a s e d o n CF D [ J ] ．Hy d r a u l i c a n d P n e u ma t i c ， 2 0 1 1 9 9 3 9 5 ． [ 1 2 ]AS T M F 1 8 0 2 --2 0 1 0 ， 过流阀性能 的测试方法 I s ] ． ASTM F 1 8 O2 2 Ol 0， St an da r d Te s t M e t h od f o r P e r f o r ma n c e T e s t i n g o f E x c e s s F l o w Va l v e s [ S ] ． [ 1 3 ]J B ／ T 9 0 9 4 --1 9 9 9 ， 液化石油气设备用紧急切断 阀门技 术条件 [ s ] ． J B ／ T 9 O 9 4 1 9 9 9 ，Te c h n i c a l Qu a l i f i c a t i o n o f Eme r ge nc y Cu t - of f Va l ve on t he Li qu e f i e d Pe t r o l e u m Ga s E。 q u i p me n t [ S ] ． [ 1 4 ]李 志超．过 流 阀及 其试 验 系 统 [ J ] ．流体 工 程 ， 1 9 8 8 1 0 4 3 4 6 ． LI Z h i c h a o ． Ex c e s s Fl o w Va l v e a n d I t s Te s t S y s t e m [ J ] ．L i q u i d E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 8 i 0 4 3 4 6 ． [ 1 5 ]F 2 1 3 8 --2 0 0 9 ， 天然气设 备用过流阀标 准规 范[ s ] ． F 2 i 3 8 2 O O 9 ， S t a n d a r d S p e c i f i c a t i o n f o r Ex c e s s F l o w Va l v e s f o r Na t u r a l G a s S e r v i c e [ S ． 杜 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m