V 型球阀阀芯的优化设计与试验研究

张皓男，宋金礼，王国峰，徐有宁，张文瀚，郭雨威

（1.沈阳工程学院a.能源与动力学院；b.工程技术研究院，辽宁 沈阳 110136；2.辽宁东科电力有限公司，辽宁 沈阳 110179）

球阀作为一种能够控制流体流动自动通断的阀门已经成为研究者关注的焦点［1-3］。V 型球阀具有可调节性能好，结构简单，密封严密可靠等优点［4-6］。V 型球阀的可调节性能的优劣可由阀芯的等百分比流量特性来判定。在一定相对开度下，阀芯的等百分比特性系数稳定，表明调节性能好；反之，调节性能不理想。现有的V 型球阀阀芯仅在相对开度较大的范围内才能保证较为稳定的等百分比特性；而在相对开度较小的范围，不能保证。因此，优化阀芯的等百分比流量特性，使V 型球阀调节性能更为稳定，逐渐成为阀门用户们的迫切需求［7-10］。

近年来，为使球阀具有更稳定的等百分比特性，国内外众多学者通过数值仿真模拟的方式来测试或改进阀芯的流量特性，并对其数据进行分析，而针对V 型球阀阀芯的流量测试试验过程与设计优化并重的研究还相对较少［11-17］。文献[14]以数值模拟的方法来研究V 型球阀阀芯在较小的相对开度范围内，等百分比特性不够稳定的问题；文献[15]以CFD 软件对改进的球阀内部流场进行数值模拟，对比阀芯的等百比特性；文献[16]利用CFDACE 代码对球阀进行数值模拟，得到不同节流孔直径和流量条件下球阀的复杂流场、压降、空化效应以及流量系数的变化；文献[17]以STAR-CD 软件对球阀在不同开度下建立三维模型，以数值模拟的方法研究球阀的流量系数k和阻力系数。

本文对DN50 型V 型球阀阀芯的流量特性进行分析，提出了V 型球阀阀芯的优化设计方法，并通过现场试验对所提出的优化设计方法进行验证。

1 原始阀芯结构

DN50 型V 型球阀的阀芯内直径为50 mm，原始设计开口角度为22.5°，初始设计流量为6.5 t/h，进口压力为392 280 Pa，具体实物及尺寸如图1 所示。

图1 DN50V型球阀实物及阀芯设计尺寸

V 型球阀阀芯优化的重点是提高阀芯的等百分比流量特性的稳定性。流量特性是指在固定压降条件下，球阀的相对开度与通过阀芯流量的关系。V 型球阀的等百分比流量特性的数学表达式为

式中，RQ为球阀阀芯的等百比特性系数；l为某一开度下球阀的位移值；L为全开时球阀的位移值；Q为某一开度下通过阀芯的流量值；Qmax为全开时通过阀芯的流量值。

2 优化设计流程

对于V 型球阀来说，改变阀芯的形状，就是改变V型球阀阀体与阀座之间的流体通流面积，以此影响流经球阀的流体流量，从而改变V型球阀的流量特性。所以，为了得到具有更好等百分比特性的V 型球阀阀芯，需要对阀芯形状进行优化设计，优化流程如图2所示。

图2 阀芯的优化设计框架

首先，利用数值仿真的方法对各开度下的原始球阀流量进行计算，再依据所求得的流量值计算各开度下球阀阀芯的等百分比特性系数，并比较各开度下球阀的等百分比特性系数数值变化，利用数学统计方法，求得样本分布均值，以计算理论流量值。其次，比较理论流量与计算流量的差别大小，根据等效面积法来不断修正球阀阀芯的形状，计算修正后的球阀阀芯的等百分比特性系数，再重新计算样本球阀的均值以及标准差，以计算理论流量值，进一步修正球阀阀芯的形状。最后，在确保等百分比特性较为稳定的情况下完成球阀阀芯的优化设计，具体实物及尺寸如图3 所示。经优化后，V型球阀可以精确地控制开度与流量，能够得到任意开度下系统内的流量。

图3 优化后DN50型V型球阀实物及阀芯设计尺寸

3 试验验证

现场试验相较于数值模拟具有直观性强、结果可信度高的优点，所以利用V型球阀的流量及压力测试装置，对优化前后的DN50 型V 型球阀进行试验研究，以测量不同相对开度下流经球阀阀芯的流体流量，并分析该球阀的流量特性。通过计算各相对开度下两种球阀的等百分比特性系数RQ并进行对比，以验证优化后的球阀的等百分比特性的稳定性优于原始V型球阀。

针对DN50 型阀门阀芯进行流量及压力测试。经计算，阀门进出口的压力差为ΔP=2 096 Pa，在该压力差情况下得到的流量值为Qmax=1.819 5 kg/s（约为6.5 t/h）。根据该条件选取15个相对开度，计算开度与流量的关系。

图4 是V 型球阀阀芯流量特性试验装置简图，图5是V型球阀阀芯流量特性试验测量段实物图。

图4 试验装置

图5 试验测量段实物

试验球阀的螺钉上安有智能执行器，可以精确控制球阀阀芯的开度，阀芯开度的数值可在执行器连接的电脑显示器中读取，范围为0°～90°。水箱中的介质在加压泵中被加压至392 280 Pa，然后流进入水管，再经过节流阀到达球阀内，之后经出水管返回水箱，形成闭合回路。加压泵根据实际工况需要为整个试验系统提供动力。为了保障闭合管路中流体介质的正常输送，管路中设有水箱，以储存流体介质。为控制水箱中流体介质的量，水箱中安装有水位计。节流阀可以控制管路中压力的大小。进出口压力表监测球阀前后管内相应位置介质的压力变化情况，其上连有压力传感器，可将测得的数据同流量传感器测得的数据一起传输给计算机。试验过程中，利用加压阀来保证球阀两端压力稳定，通过改变试验球阀的相对开度，得到所需要的流量，以计算球阀阀芯的等百分比特性系数。

试验步骤如下：

1）将V 型球阀流量测试系统中的所有阀门全部打开，打开加压泵加压至392 280 Pa，使系统稳定运行一段时间，保证管路中充满流体介质。

2）待系统稳定后，控制电动执行器使待测球阀的相对开度分别达到93.1%、87.3%、81.6%、74.2%、68.5%、61.3%、55.9%、49.1%、42.6%、36.3%、29.8%、23.3%、16.4%、10.5%和4.7%，待压力传感器与流量传感器数据稳定后，采集管道内介质流量和球阀前后压力的数据。为了保证数据的准确性，同一球阀在同一相对开度的情况下重复测量3次。

3）更换待测阀芯结构后，重复试验步骤1）和步骤2），测量各相对开度下的流量数据。

4）关闭流量测试系统，切断电源。

4 试验结果分析

图6 为各球阀等百分比特性系数曲线。从图中可以看出：当相对开度大于30%时，原始球阀的稳定性很好，等百分比系数保持在20%上下；但当相对开度小于30%时，等百分比系数上升很快，说明原始球阀在小开度下的调节性能有待提高。在较小的相对开度下，优化模拟球阀以及试验型球阀的等百分比系数相对于原始球阀数值上升缓慢，且模拟结果与试验结果接近，证明此优化使得球阀的调节性能得到明显改善。

图6 各球阀等百分比特性系数曲线

图7 为各球阀相对流量系数曲线。从图中可以看出：V型球阀的相对流量系数随着相对开度增大呈指数增大，在相同开度下，3 组球阀的相对流量系数存在明显差异，试验型球阀与优化模拟球阀的相对流量系数均高于原始球阀的相对流量系数，其中试验型球阀最高。当相对开度低于80%时，试验型球阀的相对流量系数明显提升，尤其是在30%以内的小开度范围，流量系数提升显著，流通能力得到极大改善。

图7 各球阀相对流量系数

5 优化设计方法的推广与应用

为了推广这种优化设计方法，并证明这种方法有普遍适用性，对型号为DN100 和DN150 的V 型球阀阀芯进行优化设计，得到不同相对开度下优化前后球阀的等百分比特性系数值，如表1 所示。从表中可以看出：在小开度范围内，优化后球阀的等百分比特性系数明显更加稳定，证明其调节性能得到了明显改善。

表1 DN100 和DN150 的V 型球阀优化参数

表1（续）

6 结论

本文提出了一种针对型号为DN50 的V 型球阀阀芯的优化设计方法，介绍了V型球阀流量试验的装置及试验流程，并通过现场试验与数值模拟结果相对照的方式，验证了该优化设计方法的合理性，将这种优化设计方法推广到DN100 型和DN150型球阀中，得到如下结论：

1）此优化设计方法运用数值模拟法、样本均值评估法和面积平均等效法相结合的方法，使V型球阀有更为均匀的等百分比流量特性数值分布，在相对开度较小的条件下有更好的可调节性能。

2）V 型球阀阀芯设计优化方法改善了球阀的流量控制能力，并具有很强的普遍适用型。

3）V 型球阀流量特性试验为V 型球阀的优化研究提供了数据支撑。