高速透气阀压力阀流场分析及启闭特性研究.pdf

第 9期 2 0 1 1 年 9月 机 械 设 计 与制 造 M a c h i n e r y De s i g nMa n uf a c t u r e 7 5 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 9 0 0 7 5 0 3 ● 先 进 制 造 技 术 ● 高速透气阀压力阀流场分析及启闭特性研究 术 王存堂刘志勇 胡红波 江苏大学 机械工程学院 ， 镇江 2 1 2 0 1 3 F l o w f i e l d a n a l y s i s a n d s t u d y on t h e o p e n＆ s h u t c h a r a c t e r i s t i c o f h i g h v e l o c i t y p r e s s u r e v a l v e o f ai r r e l i e f t y p e W ANG Cun - t a n g， L I U Zh i y o ng， HU Ho n g b o S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ⋯⋯● ⋯ 圳 ⋯ ． ， 州川 ⋯● ⋯⋯ ’、 ． ●～ ’ ～ ⋯ ’ 【 摘 要】 建立了高 速透气阀压力阀的出流流场模型， 对其压力场及速度场的分布情况进行了 分 ； 析。 通 过对比 阀门 在半开 和 全开 状态下 的 流场 分布， 得知 压力阀阀门 在全 开 状态 时阀内 压力 更小， 气 { 体出 流速度更高， 为比较好的工作状态。 - ,-]- e T 压力阀开启和关闭的具体过程， 对于只有重力控制和重 ； 力与磁力联合控制两种情况下压力阀的启闭特性分别进行 了研究， 分析 了磁 力对于透气阀的稳定开启 和消除颤振所起的作 用及阀门控制力的设定原则。 分析结果可为高速透气阀的优化设计和应用研究提 供借 鉴 。 关键词 高速透气阀； 流场分析 ； 磁力； 启闭特性 【 A b s t r a c t 】 A n o u t 7 o w fi e l d o d e l o f h ig h v e l o c i t y p r e s s u r e v a l v e ofa i r r e l i e f ty p e is b u il t ， w h ic h d is t r i b u t i o n ofp r e s s u r e fie l d a n d v e l o c i t ， fie l d w a s a n a l y z e d ． T h r o u g h c o m p a r i n g t h e flo w fie l d d i s t r i b u t i o n of v a l v e s i n f u l l - o p e n a n d o p e n s t a t e ， t h e c o n c l u s i o n o b t a i n e d f u l l o p e n s t a t e i s a b e t t e r w o r k i n g s t ate wi t h i t s l o we r pr e s s u r e a n d hi g h e r 0 “ O W s pe e d ． T h e n t h e c o n cr e t e o pe n i n g a n d c l o s i n g pr o c e s s i s di s c u s s e d， i n whi c h t he o pe n a n d s hu t c h a r a c t e r i s t i c i s i n v e s t i g ate d i n t wo s i t u a t i o n s v alv e i s c o n t r o l l e d o n l y b y g r a y i t “ a n d c o n t r o l l e d b y g r a y i t y a n d m a g n e t i c f o r c e j o i n t l y ．A fie r w a r d s t h e r o l e of ma g n e t i c f o r c e p l a y e d i n s t a b i l i z i n g o p e n a n d e l i mi n ati n g o s c i l l ati o n珊 w e l l a s t h e p r i n c i p l e for ．s e t t i n g c o n t r o l f o r c e i s ana1 z e d ， ； M h i c h a l lal y s is p r o v i d e s ， ef e r e n c P 5 fo r o p t i m o l d e s ig n 伽 o p p l i c a t i 。 r P s e ar c h o f h i g h z ，e 1 o c it y a ／ r V al e i K e y w o r d s H i g h v e l o c i t y a i r v a l v e s ； F l o w fi e l d a n a l y s i s ； Ma g n e t i c f o r c e ；Op e n a n d s h u t c h a r a c t e r - i s t i c ● mw ～㈨ i、 - l- 、“、 r ● 、 舢0 ● i、 i～● i ● ● ● j _ j ．， ’， “ i 中图分类号 T H1 6 ， T U 9 7 2 文献标识码 A 1 引言 货油舱高速透气阀是控制式透气系统必须装备的压力／ 真空 阀， 用于石油 、 化学品 、 液化石油气 、 液化天然气运输船舶及超大 型油船生产储油系统 上的液货舱 ，可以释放货油舱内的油气压 力、 确保装卸和加载过程中舱内维持适当的压力。它的工作性能 以及可靠性对保证油罐及储油的安全性至关重要I 。为保证透气 阀开启和关闭的稳定性， 增加工作的可靠性 ， 不仅要对透气阀的 结构进行研究 ， 还需要对其开启 时的流场分布和阀芯的运动特性 进行研究， 从 国内外的研究来看 ， 这方面的研究鲜有见到。 针对一 种常用的高速透气阀， 建立了其流场模型， 分析了其开启和关闭 的具体过程 ， 总结 了重力 和磁力 的分配原则 ， 为透气 阀的优化设 计和性能评估提供一定的理论依据。 2高速透气阀透气阀的简化结构及工作 原理 高速透气阀的简化结构， 如图 1 所示。主要包括压力阀、 真 空阀 1 和导流器 2 三部分， 其中压力阀又有导流体 7 、 上阀体 8 、 三通下阀体 9 和阀座 1 0 四级串联而成。 导流体 7 固定在 上阀体 8 上方， 真空阀 1 与三通下阀体 9 的侧面端口通过接 图 1 高速透气阀简化结构 Fig ． 1 S t r u c t ur e o f t h e h i g h v e l o c i t y p r e s s u r e ／ v a c u u m r e l i e f v a l v e 1 ．真空 阀 2 ． 导流器 3 ． 阀杆 4 ． 配重块 5 ． 磁力调节杆 与阀杆固结 6 ． 永磁环 固定在导流体上 7 导 流体 8 ．上 阀体 9 ． 三通下阀体 1 O ．阀座 这种透气阀采用重力和磁力相结合的原理来稳定阀门的开启 和关闭。 在装油和压载作业工况下， 当高速透气阀的压力阀开启时， 能使舱内的油气以大于 3 0 - - 8 0 m ／ s 的高速度从导流体 7 和导流器 2 的间隙处垂直向上排至高空消散； 在卸油作业工况下， 高速透气 ★ 来稿日 期 2 0 1 0 1 1 - 1 0 ★ 基金 项目 江苏省 重大科技支 撑与自 主 创新专项引 导资金 项目 一 高速透气阀 及关键 设备 丽 石 7 6 一 王存堂等 高速透气阀压力阀流场分析及启闭特性研究 第9 期 阀能安全地向舱内补充空气， 不致使舱内形成真空， 防止灾害的发 生。 压力阀的具体工作情况是 当阀门处于关闭状态时， N极和 S 极 的磁场相吸， 使阀门紧紧关闭， 当阀门在设定的压力下开启时， 油气 推力大于等于磁场吸力和重力之和， 使导流器稳定开启。 3高速透气阀出流流场分析 3 ． 1出流流场模型 根据透气阀所连接管公称尺寸的不同， 透气阀可分为多个系 列， 对规格为 D N 2 0 0 m m的高速透气阀进行研究， 其导流器的最大 开度为 5 0 ram 。流场中流动介质为油气混合物， 其物理杼l生与理想 气体近似， 因此在流场分析时按理想气体进行分析。 由于混合气体 的出流速度相比声速较小， 马赫数小于 1 ， 流体计算中忽略压缩性 的影响， 按不可压缩来处理。油气的实际出流为多相流动 ， 故使用 非耦合的隐式求解器进行求解，流动状态为湍流，因此采用标准 k _ 8 湍流方程进行计算日 。 根据高速透气阀压力阀的出口结构， 利用 P r o ／ E建模构造压力阀出口 昆合气体的三维模型，并导人到 G A M B I T中进行网格划分。其网格模型， 如图 2 所示。 ■ ■ a 开度为 2 5 m m 半开 b 开度为 5 0 ra m 全开 图 2流体三维模型的网格划分 剖视 j F i g ．2 Me s h g e n e r a t i o n o f fl u i d t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l s e c t i o n v i e w 边界条件的设定 压力阀入口壁面设定为压力入口， 根据规 范 D N 2 0 0的透气阀开启压力为 1 4 K P a ，故将入口压力设定为 1 4 K P a ； 出口壁面设为压力出口， 出口压力为标准大气压， 其他壁 面为固壁。忽略温度的变化， 人口壁面和出口壁面处的温度均设 定为透气阀的通常工作温度 3 0 0 K ； 3 ． 2仿真结果及分析 根据上述条件建立高速透气阀的出口流场模型，人口压力 设定为D N 2 0 O mm高速透气阀的开启压力值 1 4 K P a ， 对阀门处于 半开和全开状态下的流场分别进行分析， 结果如下。 3 ． 2 ． 1压力场的分布与比较 如图 3 所示，在透气阀的人口压力相同的情况下，阀门开启 后， 阀前局部压力迅速和阀后压力大气压力平衡， 阀口处中心区域 压力较大， 边缘区域压力较小， 总体压力下降， 全开状态下阀内的最 大压力 1 3 ． 8 K P a ， 小于半开状态时的最大压力 1 3 ．9 K P a 。 即随着阀门 开度的增大， 透气阀内} 昆 合气体流向大气， 内部压力逐渐减小。 a 阀芯半开 b 阀芯全开 图 3高速透气阀出流流场压 力分布图 F i 昏 3 P r e s s u r e d i s t r i b u t i o n c h a a o f h ig h v e l o c i t y r e l i e f v a l v e ’ o u t fl o w fie l d 3 ． 2 - 2速度场 的分布与 比较 由速度矢量图4可知， 半开时流场中的最大速度为 1 6 7 m ／ s 略小于全开状态时的最大速度 1 7 2 m ／ s ， 随着阀芯开度的增大， 速 度分布越来越均匀， 混合气体绕过导流器的出流也较稳定。这说 明压力阀阀门在全开状态时为比较好的工作状态。 a 阀芯半开 b 阀芯全开 图 4高速透气阀出流流场速度矢量图 F i g ．4 Ve l o c i t y v e c t o r c h a r t o f h i g h v e l o c i t y r e l i e f v a l v e ’ o u t f l o w fi e l d 3 ． 2 ． 3不同阀芯开度下导流器所受的流体总力 为了便于分析透气阀开启和关闭的具体过程，在人口压力 同为透气阀的开启压力情况下， 分别对导流器在阀芯开度为 1 0 ra m、 2 0 mm、 3 0 ra m、 4 0 m m、 5 0 ram时进行流场分析得到其压力分 布， 对导流器上与流场耦合处的各节点压力积分可得到导流器所 受的向上方向的流体作用力， 其结果， 如表 1 所示。 表 1不同开度下导流器所受流体 力 Ta b ． 1 F l u id f o r c e o n t h e c o n d u c t i n g ma c h i n e i n d iffe r e n t o p e n i n g d e g r e e 而导流器在即将开启的瞬间所受流体力为 尸 ， P n 为透 气阀的开启压力， 1 4 K P a ， S 。 为阀关闭时导流器与混合气体的 接触 面积 ，根据 结构 S 。 9 4 9 2 ． 5 ra m ，得 到 F z 1 4 x 9 ． 4 9 2 5 1 3 2 ． 8 9 5 N ，由此得到导流器所受流体力随阀芯开度的变化曲线， 如图 5 所示。 ∈ 兰 逛 拳 鲁 避 啦 透气网恻 升厦 X ／ ra m 图 5导流器所受流体力与阀芯开度关系 F i g ．5 T h e r e l a t i o n b e t we e n flu i d f o r c e o n t h e c o n d u c t i n g ma c h i n e a n d v a l v e c o r e o p e n i n g d e g r e e 4高速透气阀压力阀的启闭特性分析 通过上节的流场分析知，压力阀在全开状态时更有利于压 力释放和气体出流， 并得到了导流器所受流体力随着阀芯开度的 变化规律， 下面在此基础上对压力阀的启闭特性进行分析。 4 ． 1只有重力控制情况下的压力阀启闭特性 重力式高速透气阀在控制 力只有重力情 况下 ， 导流器所受 重力与混合气体压差合力 竖直向上 为 p ， X - G 1 No ． 9 S e p ． 2 0 1 1 机 械 设 计 与 制 造 7 7 式 中 p ， 一 导流器所受到的流体力 ； 与透气阀内部压力 P和 压力 阀的阀芯开度 有关 。 G ” 导 流器 和配重块的重 力，通过调节重力值可调节透气阀的开启压力 ，对于 D N 2 0 0 m m透气阀， 根据其开启压力值可得到设定重力值 G Po So 1 32 ． 89 5N。 当 F 0 ， 该作用力推 动导流器向上运动， 阀门打开。 若阀内压力值变化较小， 由上述流 场分析结 果可知 ， 随着阀门开度 的增大导流器所受流体力 p ， 下降， 又使得VF 0 ， 导流器回落， 阀关闭。此时如果阀内压 力 ， d f 仍然大于零 ， 阀门又被推开通气 。 因此在小呼吸损耗时阀 门就不断颤动进行通气， 直至阀内压力下降到开启压力以下。 4 ． 2考虑磁力因素时透气阀的启闭特性 在重力式透气阀的基础上考虑磁力因素，透气阀的开启压 力有重力和磁力联合控制， 导流器受到的作用力为 VF F p， 一 F c X 一 G 2 其 中， 相对于式 1 多出项 一 导流器所受永磁 力， 对于 开启压力为 1 4 K P a 的 D N 2 0 0 m m透气阀，重力 G 和磁力 的设 定值为 G f 0 尸 o 1 3 2 ． 8 9 5 N 。显然当VF 0时透气阀处于关 闭状态， 当时透气阀内压力达到开启压力值的临界点， 根据上节 的讨论 ， 若 d p ￡ 大于零则透气 阀开启 ， 开启后的值将决定透气阀 阀门的开启状态 ， 如果 F在导流器开启后出现负值 ， 则导流器 回落必然导致 阀门发生颤振。为了保证 阀门稳定开启到最大开 度 ， 须保证 ≥0 ， 即 E p， 一 G 3 假设在开肩的较短时间内阀内压力仍是 1 4 K P a ，则导流器 所受流体力的变化情况， 如图5所示。而磁力为两磁环之间的作 用力 ， 根据文献 推导出大小相同且共轴线 的两磁环磁力的计算 公式如下 ～一 『 一 ⋯ 一一 ] ． 8 L ／ J 一 d J } J 2 一d2 ，J 4 ， ⋯2 一⋯ ⋯ ～ 5 wR 0 ． 8 1 6 d 21 ，4 4 4 式中 ， 一真空磁导率⋯ ／x 4 r r x l O H ／ m； B ，一永磁体剩磁感应强 度 ； ， J 一单 磁环磁化方向长度 ； d 。 、 d 厂 圆柱形磁铁 的 内外 圆 半径； 一透气阀的阀芯开度； 『4 一阀门关闭时两磁环之间 的初始距离 ； 一 永磁环磁导率 ； 一磁路总磁导 ；I G 一 干 目 只 磁导率 ； ， | L ／ 2 。 ” 如图 5所示的导流器所受流体力随着阀门开度的变化情 况 ， 阀门在全 开状 态时流体力为 E 5 7 ． 5 3 4 N， 而磁力在 阀门完全 打开 时其值近似为 0 ， 因此根据式 3 需 保证 G 5 7 ．5 3 4 N才能 保证阀门能够完全开启。 当取等号时阀门的最小工作压力 维持阀门在全开状态时 的压力 ， 也是关闭压力 等于开启压力值， 取小于号时可将透气阀 的最小工作压力设定在开启压力值以下。若取 G 5 7 ． 5 3 N， 为保 证开启压力则磁力的设定值 0 一 P 。 一 c 7 3 ．5 4 3 N， 此时根 据式 3 透气阀磁力的理想设定曲线， 如图6所示。 图 6理想磁力曲线 F i g ．6 I d e a l ma g n e t i c c u r v e 根据公式 4 和 5 通过选择合适的永磁铁和结构尺寸， 可 得到近似于或者略小于理想 曲线的磁力 曲线 ， 此时透气 阀具有 良 好 的开启性能 ， 能够保证 阀内压力到达开启压力后 阀门立即开启 到最大位置 ， 且在阀内压力下降后导流器迅速回落 。由于只要 阀 门开启， 开启后 就一直大于零 ， 可以避免阀门在开启或关闭 过程中出现颤振现象。 5结论 1 通过高速透气阀压 力阀的出流流场分析 ， 发现较大的阀 芯开度更有利于压力的释放和气体的出流， 并得到了导流器受到 流体力的变化曲线。 2 在未加磁控制力的情况下重力式透气阀 的压力阀开启后， 阀门不断跳动进行通气， 开启过程中会有颤振 现象。 3 在重力基础 上添加磁力可以稳定高速透气 阀阀门的开 启压力 ， 并减少导流器颤振现象 的发生 。磁控制力和重力值 的设 定应遵循一定 的原 则 ， 选取应适 当。 4 磁力可 以稳定 阀门的开 启 ， 但是也使得导 流器在其关闭时有加速趋 势 ， 易发生锤击现象。 在磁力调节杆上添加阻尼装置可以使阀门的关闭更加安全 ， 减少 锤击 。 参考文献 [ 1 ] 陈国民， 杜振华， 杨继平．透气阀的使用与改进探讨 J I l 天然气与石油， I 9 9 5 3 ． [ 2 ] 李宝仁， 秦小飞 ， 余祖耀 ， 等． 全塑料浮止阀阀口 3 D数值仿真研 究[ n 中国机械工程， 2 0 0 6 2 2 ． 3 ] 田录林 ， 李 言， 田琦， 等． 轴向磁化的双环永磁轴承轴 向磁力研究 f J 』 l 中 国电机工程学报 ， 2 0 0 7 3 6 4 ] 韩 占忠 ， 王敬 ， 兰小平．F L U E N T流体工程仿真计算实例与应用[ M] ． 北 京 北京理工大学出版社 ， 2 0 0 4 [ 5 ] 黄起 陆， 于江 ， 赵晓刚． 机械式呼吸阀的类型与通气性能[ J1． 油气储运 ， 2 0 0 7 1 0 ． [ 6 ] 杨国来 ， 叶清， 林男． 纯水液压锥阀阀 口流场气穴 的 C F D研究[ J ] _机床 与液压 ， 2 0 0 7 1 ． d 畋 O “ 们 _ ll其