1 概述

    控制阀是过程控制中的重要组件，随着自动化技术的发展，已被广泛地应用于冶金、电力、石油和化工等工业部门中，控制设备的正常使用与调节阀的稳定性及使用寿命密切相关。为了使调节阀能长时间稳定工作，不仅要研究调节阀内部流场，同时也需要对执行机构进行研究。在调节阀工程设计中，执行机构在阀全关时输出推力应满足1.1（不平衡力+阀座压紧力）。其中，阀座压紧力与调节阀类型相关，受其他条件影响小，因此执行机构的选择主要受调节阀不平衡力的影响。

    2 结构性能

    调节阀介质流向分为底进侧出（流开型）和侧进底出（流关型）（图1）。介质流动方向的改变，一方面会引起调节阀前后压力和方向改变，使不平衡力作用方向或大小发生改变，另一方面会使介质对阀瓣的绕流方向发生改变，从而改变流体阻力，使作用在阀瓣上的不平衡力发生改变。这些变化会对调节阀执行机构的选择产生影响，从而影响调节阀的稳定性及使用寿命。因此，介质流向的选择对调节阀的选型设计和稳定性有着极为重要的意义。

（a）流开型   （b）流关型

图1 直通单座调节阀不平衡力分析

    3 不平衡力计算

    闭合状态下流开型调节阀不平衡力F_tk和流关型调节阀不平衡力F_tg分别为

        （1）

        （2）

    式中  F_tk、F_tg———不平衡力，

    Nd_s———阀杆直径，mm

    d_g———阀瓣直径，mm

    p₁———阀上游压力，MPa

    p₂———阀下游压力，MPa

    阀瓣上表面和下表面所受的压力随着开度的变化而变化。为方便计算阀瓣上、下表面所受的压力值，将阀瓣上、下表面所受压力变化近似转换为等效阀瓣截面积的变化。

    调节阀在流开状态时，阀杆处于流体的流出端，其不平衡力近似为入口压力p₁和出口压力p₂与等效阀瓣截面积S_h作用的结果，即

        （3）

    式中 Δp———阀前后压差，MPa

    S_h———某一开度下等效阀瓣截面积，mm²

    将问题简化，对S_h和行程h之间的关系取泰勒展开式，其五阶近似式为

        （4） 

    将式（4）带入式（3），则式（3）简化为

    

    调节阀在流关状态时，阀杆处于流体的流入端。取泰勒展开式后，其不平衡力计算的五阶近似式为

        （6）

    4 内部流场数值模拟

    4.1 三维模型

    快速更换式调节阀的公称通径为200mm，等百分比流量特性，行程60mm。根据调节阀结构对称性，取流道的一半建模，为了使进出口不产生回流，前后管道各加长3倍管径的长度（图2）。

图2 流道模型

    4.2 网格划分

    将流道模型分为5部分。流体在流经阀瓣和阀座时，压力梯度和速度梯度变化较大，采用较密的非结构四面体网格。在进口和出口处，流体流动较简单，流速较低且比较平稳，采用较疏的六面体网格。其余两个部分，由于结构较为复杂，采用非结构四面体网格。5部分共计网格数量为196229（图3）。

图3 流道网格模型

    4.3 求解模型

    设定入口压力为3MPa，出口压力为2.75MPa，对称面边界条件以及阀瓣面的壁面边界条件。由于控制阀内部流场结构复杂，当流体流经阀体时，会产生非常复杂的流动状态，虽有旋涡和分离流，但不是强旋涡，属于中等强度的雷诺数，因此计算模型取标准模型。由于流体与阀体内部边界面没有滑移，所以固体边界面取无滑移边界条件。

    5 结果分析

    5.1 介质流向对不平衡力的影响

    直行程调节阀不平衡力是调节机构中控制阀的阀瓣所受的轴向合力，其大小和方向是执行机构选型的重要指标之一。取前后压差为0.25MPa，针对不同开度进行数值模拟（表1）。根据不同开度下的计算值得到不平衡力的变化趋势图（图4）。

表1 调节阀不平衡力数值模拟值

    根据流开型调节阀不平衡力F_tk和流关型调节阀不平衡力F_tg变化趋势，得到两个五阶近似多项式。

    

    

    分析调节阀不平衡力变化趋势，流开型调节阀不平衡力总是比流关型调节阀大。流开型控制阀不平衡力在各开度下为正。流关型调节阀不平衡力在开度大于32mm时，不平衡力为正值，在开度小于32mm时，不平衡力为负值。

图4 调节阀不平衡力变化趋势

    5.2 60%开度时介质流向的影响

    流开型调节阀阀瓣在阀门开度为60%时，受冲刷作用较强，且密封面附近也受到冲刷（图5）。流开型调节阀受到的不平衡力在60%开度时逐渐趋于平稳，*后稳定在2.6kN（图6）。由于模型取流道的一半进行计算，因此，不平衡力为5.2kN。

图5 流开型调节阀阀瓣受冲刷作用点分布

图6 流开型调节阀不平衡力随时间的变化

 

    流关型调节阀在阀门开度为60%时，受冲刷作用位置主要集中在阀瓣底部，距离密封面较远（图7）。流关型调节阀受到的不平衡力没有收敛的趋势，始终在85～283N之间波动（图8），因此，不平衡力在170～566N之间波动。

    6 结语

    （1）从调节阀所受不平衡力的大小和阀瓣所受冲刷作用点分析，流关型调节阀不平衡力小，阀瓣受冲刷影响小，可以提高调节阀的使用寿命。

图7 流关型调节阀阀瓣受冲刷作用点分布

图8 流关型调节阀不平衡力随时间的变化

    （2）从调节阀所受不平衡力的方向和稳定性分析，流开型调节阀不平衡力方向始终为正方向，且不平衡力稳定，而流关型控制阀不平衡力方向有时为正方向，有时为负方向，且不平衡力在有些开度下是波动的。

    （3）流关型调节阀不平衡力的方向变化对执行机构的选型带来极大影响，这种流向的调节阀无法应用于气动薄膜执行机构，而且不平衡力的波动极大影响了调节阀的稳定性及使用寿命，因此，一般直行程单座控制阀设计成流开型。