单座调节阀的流量及作用

前言言

调节阀在水利、电站、化工、石油、冶金等过程控制系统中起着重要作用，然而调节阀在某些工况下产生的振动往往成为引起各种事故的主要原因，振动严重时甚至影响系统安全平稳地运行。导致调节阀振动的主要原因是阀体内部流体流动的不稳定性，与流固耦合作用直接相关。

流固耦合导致的调节阀振动可以分为两种：一种是调节阀整体在管道上的振动；另一种是本文要研究的调节阀自身阀芯-阀杆系统振动。国内外有关阀流固耦合振动的研究较少，且大多偏重于在某些固定开度、单一流向工况下分析阀体及流道内的瞬态流场及其与阀体或阀芯、阀杆的弹性振动之间的流固耦合相互作用，例如分别对调节阀、电磁阀、截止阀、换向阀以及溢流阀等不同类型的阀的动态特性与流固耦合问题进行了仿真和试验研究。

本文以某型号单座式调节阀为对象，研究调节阀阀芯-阀杆系统在流开式与流闭式流向、固定开度与变开度工况时的流固耦合振动问题。通过建立考虑定位器作用的系统有限元流固耦合模型并进行仿真，分析流开型和流闭型调节阀阀芯-阀杆系统在固定开度和变开度条件下的动态响应。

1 阀芯-阀杆系统动力学模型

1.1 单座式调节阀结构

单座式调节阀整体结构如图1所示，主要由执行机构和调节机构组成。执行机构将控制器输出电流信号转换为调节阀阀杆的直线位移；调节机构通过阀杆与执行机构相连，并将位移信号转换为阀芯和阀座之间流通面积的变化，从而改变流经阀体的流体运动状态。为了使阀芯和阀座之间的开度稳定在某个特定位置以保证实现控制器所要求的目标状态，调节阀设有阀门定位器附件，组成以阀杆实际位移为测量信号、以控制器电流输出为设定信号的反馈控制系统。

图1 单座式调节阀结构示意图

1.弹簧2.膜片3.气室4.位移刻度5.阀杆6.填料

7.阀芯8.阀座9.阀体10.调节机构11.执行机构

1.2 阀芯-阀杆系统动力学模型

阀芯-阀杆系统是调节阀执行-调节机构的主体，主要包括薄膜膜片、推杆、弹簧、填料、阀杆、阀芯和阀座等，如图1所示。

对于特定调节阀结构，其调节性能主要取决于阀芯-阀杆相对阀座的运动。阀芯-阀杆与气室弹簧、填料、流体等组成一个流固耦合动力学系统。在建立阀芯-阀杆动力学模型之前作如下假设：调节阀内部的流体（水）是不可压缩的；在调节阀工作过程中，水没有热交换；阀杆与填料之间的摩擦力认为是一种粘性阻尼力；整个阀体为刚性体，忽略其弹性变形；阀芯-阀杆只沿轴线运动，不考虑横向运动；单座阀的执行机构为气动正作用执行机构。

根据以上假设以及单座阀的结构图，可以将阀芯-阀杆系统简化为一个单自由度质量-弹簧-阻尼系统，如图2所示。阀芯位移坐标原点设在阀门全关的位置，取向上为正方向。

图2 阀芯-阀杆系统动力学模型

根据图2所示，单座阀阀芯-阀杆系统动力学方程为

（1）

式中 ———阀芯t时刻的位移、速度及加速度

m———阀芯-阀杆系统的总质量

k———弹簧刚度系数

c———等效粘性阻尼系数

Fc（t）———执行机构作用在阀芯上的控制力

Fl（t）———流体不平衡力

g———重力加速度

式（1）中流体不平衡力Fl（t）（以下简称流体力）是指行程调节机构中流体作用在阀芯上的轴向合力，其大小与调节阀两端的压差、阀芯大小和形状、调节阀类型、阀上游压力、流体流向及流体物理特性等因素有关。对于流开式流向（图1中流体从左侧流入，右侧流出），流体力为