V 型球閥閥芯的設計優化

張皓男，王國峰，趙巧男

（遼寧省潔凈燃燒發電與供熱技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110136）

1 引言

從閥門發明到今天，人們一直在苦苦追尋一種閥門，這種閥門能夠集調節性能好，結構簡單，流體阻力小，密封嚴密可靠，開關方便等優點于一身，而V 型球閥就是追尋的結果之一。雖然現在已有的V 型球閥大多數情況下接近等百分比流量特性，但是這些V 型球閥的等百比特性，僅在相對開度較大時，才能保證很好，反之，則不能保證。因此優化閥芯形狀，以達到優化等百比特性的目的，已經越來越成為現在閥門研究領域最想也是最難攻破的一道關卡[1-5]。

為了得到更好等百比特性的V 型球閥，國內外的研究團隊對其進行了大量的研究。文獻[6-7]利用CFD 軟件為工具，探究在不同開度下的流量特性，進行模擬分析，并得到了相關數據，同時介紹了測試V 形球閥閥內流量特性試驗的設備裝置；文獻[8]利用FLUENT 軟件對球閥內部三維流場進行數值仿真模擬；國立臺灣科技大學文獻[9]對球閥在不同結構參數下進行流量特性和流動型態試驗，并對數據進行研究討論，以探究氣蝕現象的成因；文獻[10]利用LDC 以及FLUENT 軟件對V 型球閥的流量特性進行了仿真模擬。以上所有相關研究中，均是通過數值仿真模擬或試驗的方式來測試閥芯的流量特性，并對其數據進行全面分析。針對V型球閥的設計優化的研究相對較少。

提出V 型球閥閥芯優化設計方法，并使用DN50V 型球閥閥芯進行優化設計驗證分析，首先運用數值仿真分析方法計算原始設計流量、原始等百比流量特性、V 型閥理論流量；然后利用優化分析技術，計算改進流量、改進等百比流量特性；最后結合試驗測量數據，驗證閥芯優化設計流程的合理性，進一步推廣到其他口徑大小的閥門中。通過理論與試驗驗證分析，為同類型的V 型閥門設計提供了可靠的設計方法。

2 閥芯設計優化流程

設計優化是一種通過充分利用和探索系統中相互作用的協同機制來設計復雜系統和子系統的方法。為了得到具有等百比特性的DN50V 型球閥閥芯形狀，首先需要利用數值方法計算原始球閥各開度下的流量，并根據流量計算等百比特性系數；比較不同開度下等百比特性系數差別，利用數學統計方法，獲取樣本分布均值，以計算理論流量；比較理論流量與計算流量的差別，根據等效面積法修改閥芯形狀，計算修正后閥芯的等百比特性系數，重新獲取樣本均值及樣本標準差，計算理論流量，修正閥芯形狀；最終保證等百比特性在較為均衡的水平，完成閥芯的設計優化。閥芯的設計流程，如圖1 所示。

圖1 閥芯的優化設計框架圖Fig.1 Optimization of the Valve Core Framework

閥芯的設計優化流程具體步驟如下：

Step1：選擇原始閥芯形狀

選擇型號DN50V 型球閥進行閥芯的優化設計，該球閥閥芯內直徑50mm，原始設計開口角度22.5°，如圖2 所示。利用CFD數值仿真分析軟件進行數學建模及網格劃分，選擇開口角度及邊界尺寸為優化設計參數，選取合適的優化尺寸范圍，在設計流程內實現變化幾何時網格自動生成。

圖2 DN50 原始V 型球閥實物圖Fig.2 Original DN50 V-Shaped Ball Valve Figure

Step2：計算實際流量

V 型球閥閥芯設計研究的重點就是考察流量特性，流量特性是表示在不同開度下，通過閥芯的流量大小。大多數情況下，流量特性曲線、閥相對開度與相對流量的數據表，均是在調節閥相應固定壓降條件下得出的。等百分比流量的數學表達式為：

式中：RQ—等百比特性系數；l—某一開度的行程；L—全開的行程；相對開度l/L—某一開度的行程與全開的行程L之商；Q—某一開度下的流量；Qmax—全開時的流量；相對流通流量Q/Qmax—某一開度下的流量Q與全開時的流量Qmax之商。

基于原始物理模型，使用CFD 數值分析，選取閥門相對開度從（0～100）%之間共計13 個設計點，利用數值優化算法，計算不同開度下的流量值，其數據，如表1 所示。

表1 DN50 V 型球閥原始數據Tab.1 Original Data of DN50 V-Shaped Ball Valve

Step3：計算等百比特性系數

等百比特性系數反映了閥門調節能力的優劣，一個等百比特性好的閥門，應該有的基本特征就是大小相近。利用等百分比流量數學表達式計算得到不同開度下的等百比特性系數數據如表1 所示。相對開度從92.9%到50%區間內的等百比特性系數比較均勻，開度從21.4%到7.1%區間等百比特性系數增加的非常快，這個區間的幾何形狀是需要進行調整的區域。

Step4：比較各開度下值是否相同

Step8：改進閥芯形狀

根據改進后的閥芯形狀，重新劃分網格，計算流量、等百比特性系數，比較等百比系數是否大致相同，取樣本均值及樣本標準差，判斷是否需要繼續修改，如需修改，繼續修正理論流量，比較實際流量與理論流量，得到新的扇段面積，用以修正閥芯形狀。通過反復迭代，直至等百比特性系數大致相同，數值優化的最終計算結果，如表2 所示。從表中可以發現通過多次迭代，當開度為92.9%度時，改進閥芯的流量增大到1.65kg/s，等百比特性系數減少為12.4，在相對開度28.6%到7.1%區域，等百比特性系數相比原型得到改善。

表2 DN50V 型球閥優化數據Tab.2 Optimized Data of DN50

根據以上各流程，可以得到如圖3 改進V 型球閥模型，并得到表2 中的改進流量值。對比表1 和表2 中的等百比特性系數值可以看出，改進后V 型球閥的等百比特性系數值更為均衡，在相對開度較小的范圍內控制更穩定。

圖3 DN50 優化V 型球閥實物圖Fig.3 Optimized DN50 V-Shaped Ball Valve Figure

3 試驗驗證

利用球閥流量測試實驗裝置對改進后的DN50 型號V 型球閥進行了試驗研究，測量了不同開度下的V 型球閥閥芯流量特性[11-14]，并利用等百比流量表達式計算得到相對開度及等百比特性系數RQ。V 型球閥閥芯流量特性試驗裝置的實物圖，如圖4 所示。水箱中的介質在加壓泵中被加壓至392280Pa，然后流入入水管，再經過節流閥，到達球閥內，之后經出水管，返回水箱形成一個閉合回路。節流閥的作用是控制管路中壓力的大小，進、出口壓力表用以監測球閥兩端管內介質的壓力，并同流量傳感器測得的流量數據一起，被傳輸進計算機中。試驗過程中，通過調節球閥的開度，保證閥兩端壓力，得到所需要的流量數據，如表3 所示。

圖4 閥芯流量特性試驗裝置Fig.4 Core Flow Characteristic Test Device

表3 DN50V 型球閥閥芯流量特性試驗數據Tab.3 Flow Characteristic Test Data for DN50 V-Shaped Ball Valve Core

對表1～表3 中的等百比特性系數RQ，相對開度l/L及相當通流量Q/Qmax進行整理，得到柱狀及曲線圖，如圖6 所示。柱狀圖很好的反應了原始閥芯、數值優化閥芯以及試驗閥芯三者的等百比特性系數RQ的平均度，可以發現試驗數據均勻度最優，充分證明DN50 型號V 型球閥優化設計的合理性。利用相對開度l/L及相對通流量Q/Qmax畫出三個模型的等百比特性曲線，可以發現，原始模型等百比特性線位置較低，數值模型略高，試驗模型相對位置最高，其平穩性最好。數值及試驗模型驗證了DN50 型號V型球閥閥芯在優化后的流量特性曲線呈現更為契合指數函數曲線，體現出了優化之后更為優異的等百比特性。

圖5 閥芯流量特性曲線與等百分比特性系數關系Fig.5 The Relation Between the Flow Characteristic Curve of the Core and the Equal Percentage Characteristic

4 設計優化推廣應用

為了推廣這種優化方法，針對DN80V 型球閥閥芯進行了設計優化分析，其結果，如表4 所示。依次計算出相對開度、相當通流量、理論流量、等百比特性系數等數據，比較原始模型及優化模型不同開度條件下等百比特性系數，可以容易地觀察到，設計優化模型在開度小于28.6 以下區域，明顯得到了改善，優化后的等百比特性系數值更為均衡。

表4 DN80V 型球閥原始及優化數據Tab.4 Original and Optimization Data for DN50 V-Shaped Ball Valve

5 結論

主要闡述一種V 型球閥閥芯的優化設計方法，通過DN50V型球閥閥芯的設計優化，從數據上驗證該閥芯優化前及優化后等百比特性的改善狀況，并通過試驗進一步驗證優化設計的合理性。推廣這一優化方法在其它V 型球閥閥芯中應用，說明這一方法流程，不只適用于DN50 這一型號的球閥，也適用于絕大多數這種類型的V 型球閥。針對這一設計優化方法這里總結如下結論：（1）利用數值仿真、樣本均值評估及面積平均等效法，可以有效地改善V 型閥芯等百比流量特性，使其在不同開度條件下數值分布更為均勻。（2）V 型球閥閥芯設計優化方法是一種效率高、方法可靠的閥芯設計方法，能夠提高閥芯設計能力。（3）V 型球閥閥芯設計優化方法能夠提升閥芯流量控制水平，為電動調節與手動調節閥門設計提供有效數據支持。