一種調(diào)壓閥異響問題的分析與改進(jìn)

鄭麗偉 沈陽恒久安泰環(huán)保與節(jié)能科技有限公司

近三十年以來，隨著人類綠色意識的覺醒，環(huán)境保護(hù)意識不斷加強(qiáng)，可持續(xù)發(fā)展觀念深入人心，液化天然氣作為一種安全、高效的清潔能源，得到了更為廣泛的利用，LNG液化天然氣是將天然氣（甲烷）凈化，并在-162℃的低溫下加工而成的液態(tài)燃料，這就要求配套的各種閥門在低溫工況下閥門具有更高、更好密封性、材料穩(wěn)定性、可靠性。其中低溫調(diào)壓閥主要應(yīng)用在LNG為燃料的重型汽車[1]的LNG氣瓶供氣系統(tǒng)上。 本文針對調(diào)壓閥異響問題進(jìn)行研究，并提出了解決措施。

一、調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)及問題

（一）結(jié)構(gòu)和工作原理

低溫升壓調(diào)壓閥即增壓調(diào)壓閥（車載瓶用）是一種超低溫閥門。主要用于LNG氣瓶的內(nèi)部增壓及對于多余氣體的再利用，處于常閉狀態(tài)。零部件包括閥體、閥蓋、密封墊圈、膜片組件、閥瓣（閥板）、閥桿、閥座、閥籠、調(diào)壓螺栓、螺母、彈簧、彈簧座等，其中閥體、膜片組件、密封墊圈、閥籠、閥桿是閥門主要的五個部件，閥門通過調(diào)壓螺栓設(shè)定開啟壓力，擰緊螺栓一圈約0.1MPa。當(dāng)LNG儲存罐內(nèi)隨著介質(zhì)消耗，罐內(nèi)壓力逐漸降低到某一設(shè)定值時，調(diào)壓閥開啟，介質(zhì)通過調(diào)壓閥流經(jīng)其后的翅片盤管汽化后回到氣瓶內(nèi)部使壓力升高。當(dāng)壓力升高至設(shè)定值時，調(diào)壓閥關(guān)閉，增壓停止。調(diào)壓閥通過調(diào)節(jié)螺栓壓縮上彈簧，使上彈簧作用在膜片組件上的力與出口介質(zhì)壓力作用在膜片組件上的力達(dá)到平衡。當(dāng)出口壓力值低于設(shè)定值時，上彈簧作用在膜片組件上的力大于出口介質(zhì)壓力作用在膜片組件上的力，在壓差力的作用下閥桿組件打開，介質(zhì)由進(jìn)口進(jìn)入系統(tǒng)，使系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)壓力增高。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)壓力增高到某一設(shè)定值時，出口介質(zhì)作用在膜片組件上的力大于上彈簧作用在膜片組件上的力，膜片組件向上運(yùn)動，與閥桿組件分開，閥桿組件在下彈簧力作用下關(guān)閉閥門（見圖1）。

圖1 調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)及參數(shù)

（二）問題現(xiàn)狀

從產(chǎn)品最初投放市場兩年內(nèi)頻繁出現(xiàn)調(diào)壓閥異響現(xiàn)象，異響均為類似蜂鳴聲，更換膜片組件異響消失，但使用一段時間后又出現(xiàn)異響。

二、問題研究

根據(jù)此問題，借助于分析二維和三維流體流場的先進(jìn)工具——FLuent CFD工具，運(yùn)用有限體積法模擬分析。

（一）閥內(nèi)部流暢分析

通過ANSYS三維建模，搭建內(nèi)部流場模型，對其網(wǎng)格劃分，利用Fluent設(shè)置邊界條件，選擇湍流模型運(yùn)用有限體積法模擬分析，內(nèi)部流場分析如圖2。

圖2 中截面流線分布

分析結(jié)果：

1.在速度場中發(fā)現(xiàn)，該閥的速度場分布較為不均，在入口壁面附近、節(jié)流口、出口處等多處出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象。氣體過流面積突變、突縮，方向改變都會產(chǎn)生渦旋，使流場造成湍流狀態(tài)，非常容易產(chǎn)生噪音；

2.湍動能的數(shù)值反映了能量損失的關(guān)系，是衡量湍流發(fā)展變化的重要指標(biāo)。對閥體中間橫截面的湍動能分布進(jìn)行分析，能量損失主要集中在閥體閥桿左側(cè)附近。由此說明氣體在改變流動方向的同時能量損失較大。

（二）分析結(jié)果

根據(jù)以上分析，調(diào)壓閥異響主要原因：

1.閥內(nèi)部流場局部位置氣體流速過大，內(nèi)部流場出現(xiàn)較多渦流、湍流，

2.控制壓力阻尼口大小不合適。

三、改進(jìn)方案及試驗驗證

（一）改進(jìn)方案

1.加裝阻尼塞，規(guī)格為φ2、φ1.5、φ1，以方便阻尼孔大小的調(diào)整。

2.閥體多處圓角處理，改善內(nèi)部流場。

（二）試驗驗證

對異響調(diào)壓閥（故障件，臺架試驗異響）進(jìn)行了加裝阻尼塞φ1.5及閥體圓角處理后，又進(jìn)行了臺架試驗，試驗結(jié)果未出現(xiàn)異響，未更好的驗證方案效果，進(jìn)行小批量（故障件20件，臺架試驗均異響）使用氣瓶模擬工況試驗，試驗介質(zhì)采用液氮，試驗結(jié)果均未出現(xiàn)異響。

四、結(jié)語

綜上所述，通過對異響調(diào)壓閥的理論模擬分析和試驗驗證，此問題消除，為產(chǎn)品設(shè)計和改進(jìn)提供了強(qiáng)有力的支撐。在產(chǎn)品設(shè)計和改進(jìn)全過程中要貫徹采用先進(jìn)的設(shè)計手段，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。