三偏心蝶閥流量特性數值分析及結構優化

張杰，徐志新，成陽，楊健

（江蘇神通閥門股份有限公司，江蘇啟東 226232）

0 引言

蝶閥在工業系統中大量應用，其結構從中線向單偏心、雙偏心、三偏心不斷的演變。三偏心蝶閥在啟閉過程中，閥座與蝶板密封面沒有任何接觸，完全通過閥座的接觸面壓進行密封，因此更耐高溫、啟閉力矩小、壽命長、密封性好，使用范圍非常廣[1-2]。

目前學者對三偏心蝶閥的流量特性做了一些研究：韓志杰、霍增輝等[3-4]分析了蝶閥的3個偏心值對流量系數和流阻系數的影響；劉惺等[5]分析出了三偏心蝶閥的內部流場變化規律及不同關閥速度對蝶板的動水壓強的變化規律。本文在前期科研工作者理論分析基礎上，結合公司生產實際對不同結構的三偏心蝶閥的內部流場特性進行分析，得到滿足工程使用需求的三偏心蝶閥結構。并對三偏心蝶閥進行不同開度下的流量分析，驗證適合流量調節的開度區間。

1 數學模型

1.1 物理模型

如圖1所示，三偏心蝶閥的主要特點是其3個重要偏心量：軸向偏心量a——密封面偏離軸中心線的距離；徑向偏心量b——軸中心線偏離閥體和蝶板的幾何中心；角偏心量β——密封面的錐面軸線偏離蝶板幾何中心線的角度。

圖1 三偏心蝶閥結構示意圖

1.2 流量系數和流阻系數

流量系數的計算公式[6]為

式中：Q為體積流量，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；ΔPv為閥門前后壓差，kPa，ΔPV取整體壓差與管道壓差的差值；v為介質平均流速。

1.3 計算模型及參數

分析對象為DN600口徑的三偏心蝶閥，在三維軟件SolidWorks中建立閥門模型及閥門前后端5倍和10倍閥門公稱直徑長度的管道。在ANSYS Geometry中對閥門內部進行流體填充得到流體域模型，通過切片將管道和閥體內部流體域分開然后合并為一個part。

網格質量對流場分析影響很大，合適的網格數量是保證計算精度和計算時長的關鍵。網格劃分時管道部分流體采用六面體網格，閥腔部分網格采用四面體網格，并對局部壁厚薄的流體區域進行網格加密。

流體介質為水，狀態為紊流，計算模型為標準κ-ε湍流模型；求解方法采用壓力耦合方程的半隱式SIMPLE算法；邊界條件為速度入口（v=4 m/s），壓力出口（1個大氣壓）。

2 流場數值分析及結構優化

目前三偏心蝶閥的蝶板結構主要分為桁架式和龜背式。桁架式蝶板結構既可以通過焊接也可以通過鑄造制造，可靈活調節結構剛度，在大口徑及超大口徑蝶閥上應用較多。而龜背式蝶板通過鑄造成型，其承壓面成龜背形，流量特性較好，在作為調節用的三偏心蝶閥上應用較多[7]。本次分析的蝶板結構均是龜背式蝶板，其偏心距和偏心角在實際應用中都經過了適宜性驗證。

2.1 原始方案流場分析

原始方案為常用的三偏心蝶閥結構，圖2為二維示意圖，與流體接觸的零部件主要包括閥體、蝶板、密封圈、壓板、閥軸。閥門全開時流體域及網格模型如圖3所示。

圖2 原始方案二維圖

圖3 原始方案流體域及網格劃分模型

求解迭代800步，待完全收斂后得到閥門和管道系統總壓差ΔP1為9.94 kPa，管道系統壓差ΔP2為1.45 kPa，計算得流量系數KV為11 000，流阻系數ζ為1.05。因流阻系數偏大不能滿足工程要求。需要對原始方案進行改進。

圖4和圖5中的流體流向均從左向右，從圖4和圖5可以看出，左側入口的流速和壓力都比較均勻；當水流通過蝶板時，由于蝶板、密封圈和壓板的阻擋，流通面積減小，造成壓力減小，流速增大。在蝶板上固定閥軸的凸臺后側形成負壓區，流速最大達到10.87 m/s。從圖4可以看出，在壓圈內側和固定閥軸凸臺后側會形成漩渦，增大阻力系數。之后應該對三偏心蝶板的這些區域進行結構優化，以減小流阻系數。

圖4 原始方案90°開度下流速矢量分布圖

圖5 原始方案90°開度下壓力梯度分布圖

2.2 改進方案流場分析

為了減少蝶板、密封圈、壓板對流體的阻隔效應，需要將蝶板和壓板減薄。但目前該結構中壓板的作用是與蝶板連接固定密封圈，由于壓板上需要打沉頭螺釘孔，所以需要保證一定的厚度，壓板減薄的空間很小。只能對固定蝶板的凸臺和蝶板龜背面進行減薄。凸臺可由原來的壁厚減少40%，而龜背式蝶板面厚度最大減薄量為10%。整體來看減薄空間很小，所以本文直接舍棄該方案。

為了能減掉壓板和密封圈的厚度，本方案將密封圈和壓板直接改為固定在閥體上的結構，同時按上述分析將固定閥軸的凸臺和蝶板厚度均進行減薄，這樣大大減弱了蝶板和壓板在厚度方向對流體的阻隔作用。而偏心距和偏心角均保持不變，改進方案的結構示意圖如圖6所示。

圖6 改進方案二維圖

對改進方案進行流場分析后，得到閥門和管道系統總壓差ΔP1為5.74 kPa，比原始方案降低了4.2 kPa，計算得流量系數KV為19 365，流阻系數ζ為0.54。KV值比原始方案提高了76%，流阻系數比原始方案降低49%，能滿足工程要求。

從圖7 和圖8可以看出，壓板和密封圈移到閥體上后，蝶板對流體的阻隔作用大大減小；最高流速較原始方案有下降，固定閥軸凸臺右側的負壓區域減少，原始方案壓板內側的旋渦消失。以上分析均表明，該改進方案完全符合預期。

圖7 改進方案90°開度下流速矢量分布圖

圖8 改進方案90°開度下壓力梯度分布圖

3 改進方案不同開度下流場特性分析

對蝶閥從關閉至完全開啟過程中不同開度下的流場進行數值模擬，每5°一個開度，從5°～90°共18個開度進行模擬，計算流體流經閥門的壓差ΔP，擬合出閥門的流量特性曲線。圖9中截取了開度為10°、30°、60°、90°開 度 下的流線圖。

圖9 不同開度下閥門的流線圖

從圖9可以看出，不同開度下蝶閥的流線分布差別很大，從部分開啟到完全開啟流速逐漸均勻。蝶閥在60°開度之前蝶板背部及閥門出口區域均產生強烈的渦流，隨著開度的增大，渦流區域和渦流尺寸均開始減小。這種現象主要是因流體在蝶板上下邊緣受物理阻隔，蝶板正面壓力增大，蝶板背部形成負壓區，從蝶板邊緣流過的流體流速突然增大，帶走大部分流體，少部分流體在蝶板背部形成渦流。隨著開度的增大，蝶板及閥座區域的流體速度逐漸平緩。

根據分析結果，經計算繪制了三偏心蝶閥在不同開度下的流量系數特性曲線，如圖10所示。

從圖10可以看出，從0°～85°內，KV值隨著開度的增大而增大，基本呈線性增長。在5°～45°區間內增加幅度比較平緩，在50°～85°范圍內增加幅度比較大，85°開度以上時KV值一直保持不變。蝶閥在45°時的流量系數為5055，而全開時的流量系數為19 365，后者為前者的3.8倍。

圖10 閥門流量特性曲線

以上數據表明，該結構的三偏心蝶閥在開度在5°～85°之間具有較好的調節能力。

4 結論

1）對三偏心蝶閥原始方案進行流量分析，全開時蝶板厚度邊緣、固定閥軸凸臺、壓板對流體形成較大阻隔，降低流通能力。

2）改進方案將壓板、密封圈移動到閥體上，同時減薄蝶板厚度。最終流量系數較原始方案提升76%，能滿足工程要求。

3）該三偏心蝶閥在5°～45°開度內流量系數增加平緩，在50°～85°開度內上升較快，在5°～85°之間具有較好的調節能力。