先导式深海通海阀流阻系数及开阀力研究

刘少刚，郑大勇，程千驹（哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

先导式深海通海阀流阻系数及开阀力研究

刘少刚，郑大勇，程千驹
（哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

阀门的流阻系数和开启力是评价阀门性能的最重要参数，针对先导式通海阀内流道降噪优化前后对于这两个参数的影响，运用计算流体力学CFX软件对不同外部工作压力及开度下的两种流阻系数进行仿真与试验分析。分析结果表明：在阀门具有较小开度及完全开启时，优化后流道流阻系数小于原流道。同时，对有先导孔和无先导孔的通海阀用CFX软件在不同开度下进行静分析，并依据实际阀杆轴向力影响面确定了轴向力提取面组，提取两种情况下、不同位置阀杆轴向力。分析结果表明：先导孔有助于减小阀门的开阀力，且有先导孔时，阀门的最大开阀力仅为无先导孔时的1/2.通过试验对仿真得到的开启力进行了验证，仿真与试验结果具有非常好的相符性。

兵器科学与技术；先导式；通海阀；流阻系数；开启力

0　引言

各类阀门的主要功能是根据需要对通过的流体的流量、压力和流动方向进行调整和控制，调节过程中要求其有较好的可操作性、控制可靠性，流阻小。为了满足流阻小及易操作，人们采用试验的方法研究了截止阀各种开度下流阻系数[1]绘制了液控蝶阀的完整流阻系数曲线[2]、分析了ZVF调节阀不同阀瓣型线对局部流阻的影响[3]，运用ANSYS分析了流场的压力分布计算了不同开度、进口速度和内径下闸阀的阻力系数[4]，分析了开启速度、高度及工作水压等各种因素对水阀开启力的影响[5]，给出了阀门扭矩连续测试试验装置[6]。

深海通海阀由于采用了反向截止结构形式，其阀芯在流道中间对流阻系数会产生很大影响，同时其工作压力较大造成开阀力过大，因此多采用先导式结构减小开阀力。由于先导结构的出现造成其结构相对复杂，同时为了减阻降噪，需要对其流道进行优化，对于其优化前后流阻系数及开阀力的分析是深海通海阀性能评估的重要方面。

1　先导结构原理

先导式深海通海阀主要由阀体、阀头、阀杆、阀盖及活塞等组成。其工作原理是在阀头与阀体组成的大密封面打开之前先打开阀杆与活塞形成的小密封面，使海水由阀头上留的孔进入阀杆与阀头间的间隙，再沿着阀杆与活塞间的导水槽进入到储水腔，通过海水对活塞上表面向下的压力作用来抵消一部分阀头受海水向上的压力作用，进而减小开阀过程中所需要的力矩。如图1所示为先导式深海通海阀小密封面打开时的截面图。

图1　先导式通海阀小密封面打开时截面图Fig.1　The sectional view of opened pilot-operated valve with the small sealing face

2　内流场优化前后流道结构

流体在流道内的流动受阻造成其在一定区域内不停做漩涡运动引起涡流噪是阀门噪声的主要来源[7]。仿真经验证明在流道中的直角转弯处进行圆弧或是弯管结构处理对降低涡流噪声有明显作用[8]。基于降噪要求及先导结构需要对阀体内流道对比原阀进行如图2所示的阀头流线型处理、增加台阶高度、部分地方进行圆角处理优化。

图2　先导式通海阀内流道结构图Fig.2　The structural diagram of internal flow passage of pilot-operated valve

3　流道优化前后流阻系数分析

阀门流阻系数分析通常按JB/T5296—1991规定试验系统进行测试，如图3所示。其中，d为被测阀门的通径值。据此搭建试验系统，同时采用CFX软件对先导式通海阀内流道进行建模分析，并提取相应点的压力值及流量值。每个工况进行10次试验，利用去除最大与最小结果再求平均值的处理方法，对压力和流速进行提取，仿真实验采用同样的方法进行。

图3　阀门流阻测量系统Fig.3　Themeasurement system of flow resistance

分析模型进出口要留有对应于测量系统规定安装测试压力及流量处的管道长度，需要时，可适当延长，使模型中流体流动状态更接近实际系统[9]。先导式深海通海阀仿真结果提取面按 JB/T5296—1991规定的压力表安装位置做压力提取面，如图4所示。在流量计位置设置流量提取面，分别对于最大开度状态下、不同外部压力条件及固定外部压力、不同开口条件下对原流道及优化后流道的流阻系数进行仿真分析。

图4　流阻系数分析各提取面位置Fig.4　The position of extracting surface for flow resistance coefficient analysis

参照JB/T5296—1991规定及上述试验与仿真方法提取所需要参数代入（1）式后可获得流阻系数值，结果如表1、表2所示。

式中：pin为入口压力提出面压力（Pa）；pout为出口压力提出面压力（Pa）；ρ为介质密度（kg/m3）；v为流体速度（m/s）。

由表1、表2分析结果可知：不同入口压力条件下，原阀流场的流阻系数平均值仿真结果为14.892，试验结果为14.86.优化后阀流场的流阻系数平均值仿真结果为 12.518，试验结果为12.514.优化后，阀流场流阻系数平均值仿真结果比原阀流场小2.374，试验结果比原阀流场小2.346.在不同入口压力下，原阀与优化阀的仿真与试验结果误差均在1.5%内，说明结果具有很好的相符性。同时，原阀与优化阀在不同的入口压力时，流道得出流阻系数在工程误差范围内相同，验证了流阻系数为阀门本身性质与外界条件无关。

表1　不同入口压力下原阀流道流阻系数Tab.1　The flow resistance coefficients of original internal flow passage at different inlet pressures

表2　不同入口压力下优化阀流道流阻系数Tab.2　The flow resistance coefficients of optimized internal flow passage at different inlet pressures

原阀及优化流道后阀的最大开度均为45 mm，分别取5mm、15mm、30mm及最大开度作为分析的不同开度值，采用上面所述仿真与试验方法对原阀流道及优化后流道的流阻系数进行分析，得到表3、表4及图5所示结果。

由表3、表4及图5可知：在选定工作压力5MPa下，开度为5mm时，优化流道后阀的流阻系数比原阀小约21.75；最大开度时，优化流道后阀的流阻系数比原阀小2.42～2.45，但中间过程中原阀流阻系数要比优化流道后阀小。由图5采用原阀台阶高度分析可知，因为先导孔结构存在要求增加台阶高度，造成开阀中间过程中流道相对狭窄造成流阻系数增加。

表3　不同开度下原流道流阻系数Tab.3　The flow resistance coefficients of original internal flow passage under different openings

表4　不同开度下优化后流道流阻系数Tab.4　The flow resistance coefficients of optimized internal flow passage under different openings

图5　不同开度下原阀流道与优化后流道流阻系数Fig.5　The flow resistance coefficients of original and optimized internal flow passages under different openings

4　有无先导结构下的开阀力分析

为了了解先导孔存在对开阀力影响，运用CFX软件进行仿真研究。取仅有无先导孔差异的两种通海阀，在计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程软件Pro/E中分别建立实际通海阀内海水所占空间形成的流域模型。此处由于先导孔流道结构复杂在有限元网格划分上会有很大困难，因此采用如图6所示的先导孔流道模型，将先导孔形成的流道移到模型外面，并用矩形截面代替原流道的圆形截面，并保证两截面通流面积相同。

图6　先导式深海通海阀流道截面Fig.6　The internal flow passage section of pilot-operated valve

启动ANSYSWorkbench CFX模块导入Pro/E模型，利用ANSYSMesh中的CFD CFX网格划分功能，对局部网格进行加密调整后以最大网格40 mm进行划分，划分方式 On：Proximity and Cnrvature，各次分析时保证网格质量在0.6以上。

对各位置流场设置初始条件：入口静压力5MPa，出口为自由出口，其他各面为WALL，接下来进入CFX分析及后处理。其中，有先导结构通海阀最大开度时分析结果的中截面压力分布和阀杆轴向力提取面如图6所示。分析结果通过CFX函数提取命令对提取面上阀轩轴向总力进行提取，将各位置开阀力列表绘图如图7所示。

图7　有、无先导孔下深海通海阀开阀力Fig.7　The opening forces of the valves with and without pilot holes

由图6可知：先导式通海阀在全开状态下，通过先导孔流道的作用，使活塞上面处的压力与阀门入口处压力相同，提取面分为上下两个部分，与实际阀体储水腔与入口海水相连接相对应。图7中，有先导孔开阀力最大值32 724.1 N，无先导孔为64 334.7 N，有先导孔状态下最大阀杆轴向力是无先导孔时的1/2.同时，在开启度小于37.5mm时，无先导孔状态下，阀杆轴向力始终在有先导孔阀杆轴向力上面，说明先导结构在开启度小于37.5 mm时起作用。

5　先导式深海通海阀开阀力试验

先导式深海通海阀采用液压和手动两种驱动方式。试验过程中，首先将阀门压紧在弗赛特WHT-30-D-A/150型液压阀门试验台上，并使阀门处于正常关闭状态，电磁离合器处于断开状态，给阀门打压设定压力值为5 MPa，利用套管及扭力板手打开阀门，记录开阀过程中最大扭力值。试验装置如图8所示，扭力板手选用准矩/BNB50型。

图8　先导式深海通海阀开启力试验装置Fig.8　The opening force experimental facility for the pilot-operated valve

表5中数据采用除去最大值40.5 N·m及最小值37.0 N·m，剩余值采用加和求平均值的方法进行流动解通过（2）式可求出测得转矩的平均值

将表5中已知量代入（2）式得Ta=（37.5+40.0+ 39.0+37.5+37.5+39.5+40.0+38.0）/8= 38.625 N·m.手动开阀时，扭力板手通过套管将扭力传给齿轮箱中的上下圆锥滚子轴承固定小齿轮，小齿轮再传给圆锥滚子轴承固定大齿轮，大齿轮转动时，中间孔上的梯形螺纹与不可绕自身旋转的阀杆上梯形螺纹相配合，将阀杆上下提动实现开关阀，先导式通海阀齿轮箱内部结构如图9所示。

表5　深海通海阀开启扭矩值Tab.5　The opening torques of the deep diving outboard valve

图9　通海阀齿轮箱内部结构Fig.9　The gear box internal structure of pilot-operated valve

用手动开阀时开阀扭矩与阀杆受力之间的关系可用方程组（3）式～（7）式求解：

式中：i为齿轮转动比，取3；T为开阀力矩（N·m）；η为齿轮传动效率，取0.98；Ψ为螺纹升角（°）；Pt为螺距（mm），其值7 mm；d2为螺纹中径（mm），其值40.5mm；fv为当量摩擦系数；f为静摩擦系数，取0.11；β为牙侧角（°），其值为15°；ρ′为当量摩擦角；F为阀杆轴向力（N），取32 500 N.

将各已知参数代入方程组中，求得开阀力矩T= 38.31N·m，与试验测得开启转矩Ta=38.625N·m，误差为0.315 N·m，其结果在板手精度±3%范围内。试验结果表明，以上的理论与仿真分析所得的先导式深海通海阀最大开启力在测量精度范围内与试验结果相符。

6　结论

通过对先导式通海阀优化前后流道流阻及开阀力分析，可得如下结论：

1）流道优化前后在不同开度时具有不同的流流阻系数，并且在初始阶段优化后流道流阻有显著改善。

2）通海阀通常工作处于全开或关闭状态，仿真与试验结果表明，在全开状态下优化后流道流阻系数比原阀流道小2.42～2.45.

3）深海通海阀先导孔切实起到了减少开阀力做用，且在阀门开度小于37.5 mm时，先导结构一直起作用。

4）先导结构式通海阀最大开阀力仿真分析结果与试验测量计算结果相符，有先导孔通海阀是无先导孔结构式通海阀最大开阀力的1/2.

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Research on Flow Resistance Coefficient and Opening Force of Deep Diving Outboard Pilot-operated Valve

LIU Shao-gang，ZHENG Da-yong，CHENG Qian-ju
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，Heilongjiang，China）

The flow resistance coefficient and opening force are themost important parameters for the evaluation of valve performance.In consideration of the influence of noise reduction optimization on the internal flow passage of pilot operated valve，the CFX software is used to simulate and analyze the flow resistance coefficients under different externalworking pressures and openings.The analysis results show that the flow resistance coefficient of optimized flow passage is less than thatof the original flow passage for the valve under low and full openings.The valveswith and without pilot hole are also statically analyzed by CFX software under different openings.the surface groups for extracting are determined according to the influence surface of actual valve rod axial force，and the axial forces of valve rod in different positions are obtained. The analysis results indicate that the pilot hole can reduce the opening force，and themaximum opening force of value with pilot hole is an half of that of value without pilot hole.The simulated opening force is validated by experiment，and the experimental result is consistentwith the simulation result.

ordnance science and technology；pilot-operated；outboard valve；flow resistance coefficient；opening force

TH122

A

1000-1093（2015）12-2363-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.021

2015-04-16

国防技术基础科研项目（Z192013B001）

刘少刚（1962—），男，教授，博士生导师。E-mail：liushaogang@hrbeu.edu.cn