一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法技术

本发明专利技术公开了一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法，属于工业阀门设计领域。方法包括以下步骤：根据闸阀二维工程图建立三维模型，抽取流道模型；使用网格划分软件将流道模型离散为网格模型；使用流体分析软件计算网格模型，实现阀门内部流场可视化，确定流线分布；按照设计方法定义结构参数，优化阀瓣型面。本发明专利技术能够大大减小闸阀从全开到全关的响应时间，提升闸阀的使用性能；避免大多数假设和复杂计算，使结果更为可靠；降低设计成本，避免反复制造样机测试。复制造样机测试。复制造样机测试。

【技术实现步骤摘要】
一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法


[0001]本专利技术属于工业阀门设计领域，具体涉及一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法。

技术介绍

[0002]闸阀是一种通过闸板位移来控制流体通断的阀门，其中大口径、大流量闸阀的阀位一般只有全开和全闭两种状态。关闭响应时间是闸阀的关键参数，大型闸阀常在高温高压的极端工况下执行全闭操作，其要求快速、准确，若闸阀未能实现从全开到全闭的快速响应，则会显著降低整个工艺系统的安全性，形成潜在事故隐患。国外个别重工业发达的国家，为检验即将投入重要领域的闸阀，如核电主蒸汽闸阀，专门建立了大型水力测试实验室，经过一系列检验、优化、再检验，才能确定该闸阀的关闭响应时间符合标准。然而，国内现有阀门生产厂家所提供的闸阀在关闭响应时间参数的领域仍有较大提升的空间，且因为国内缺少高技术力实验室可以给大型闸阀提供实验平台，整个测试过程费时费力，所以提出一种能够降低关闭响应时间的闸阀阀瓣型面的优化方法具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法。现有的闸阀阀瓣型面都是平面，本专利技术从闸阀阀瓣的型面优化入手，创新采用弧面式的设计理念；同时基于数值模拟的方法，提出完整的设计流程，用于获取该弧面关键参数的最佳值。本专利技术基于数值模拟，即依靠电子计算机，结合有限元法或有限体积法建立数学模型，对工程物理问题和求解近似解的方法。
[0004]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0005]本专利技术提供了一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法，具体如下：
[0006]S1：建立阀门开度最大时的待优化闸阀三维模型，抽取阀内流道模型并将其离散为网格模型；利用流体分析软件，基于所述网格模型，赋予阀内介质的流体属性，设置进出口边界条件，将阀杆受到竖直向下的机械传动力作为自变量、将阀瓣下端距离阀座底部的高度设置为因变量，设置流体计算的湍流模型，将阀瓣外壁面设置为固定滑移面、阀杆外壁面及对称面设置为重构面，设置动网格方法、更新步长和监测时间点，得到动网格模型；
[0007]S2：通过流体分析软件计算所述动网格模型，待计算收敛后，输出以下内容：阀瓣从全开到回座的全流程历经时间，阀瓣外壁面的下降位移、速度和加速度，全流程中流道内的流体速度数据，阀瓣受流体冲击的外表面所受液力分布的数据；通过后处理软件，绘制网格模型纵对称面上随时间变化的速度云图，并根据该时间—速度云图绘制流线图；
[0008]S3：定义闸阀三维模型内某点到阀座的投影高度为H，入口流道顶端的高度为常量H
in
；根据步骤S2所得阀瓣外壁面的下降位移、速度和加速度，得到当阀瓣加速度最大时，时刻为t
i
时的阀瓣下端距离阀座底部的高度H
Pi
，其中，i的初始值均为1；
[0009]S4：基于步骤S2和S3的结果，当时刻为t
i
时，根据阀瓣受流体冲击的外表面所受液
力分布的数据，得到当阀瓣下端距离阀座底部的高度H
Pi
时，阀瓣受流体介质冲击力的合力点位置A
合
；该合力点到中轴线的距离为D
i
，到阀座底部的投影高度为H
Fi
；阀瓣从全开到回座的历经时间为T
i
；其中，i的初始值均为1；
[0010]S5：基于步骤S4的结果，根据步骤S2所得流线图，得到当时刻为t
i
时阀内流道的流线图，确定在H
Fi
≤H≤H
in
范围内，处于阀瓣朝向流体流动一侧区域的流线朝向，选择执行S61或S62；
[0011]S61：若存在从阀瓣下部绕行至阀门出口的流线走向，则执行步骤S7；
[0012]S62：若所有流线均向上回转至阀瓣上部，则结束优化过程并执行步骤S8；
[0013]S7：定义ΔD＝0.05D1，更新闸阀阀瓣三维模型，使得D
i
+1＝D
i
‑
ΔD，并重新依次执行步骤S1～S5的操作；随后令i＝i+1；
[0014]S8：令j＝i，计算η＝(T1‑
T
j
)/T1*100％，以评价闸阀阀瓣型面的优化效果。
[0015]作为优选，所述步骤S1中，通过网格划分软件将阀内流道模型离散为网格模型；所述网格划分软件为ANSYS mesh、icem、fluent meshing、TurboGrid、gambit、 HyperMesh中的一种或多种。
[0016]作为优选，所述动网格方法为Smoothing、Layering、Remeshing中的一种或多种；若动网格方法采用Smoothing和/或Remeshing，则需重构网格，评估总体初始网格并指定最大偏斜度、最小网格长度和最大网格长度。
[0017]作为优选，建立所述闸阀三维模型的软件为UnigraphicsNX、SolidWorks、 AutoCAD、Creo、CATIA、Pro/Engineer、Cimatron中的一种或多种。
[0018]作为优选，所述流体分析软件为ANSYS Fluent、ANSYS CFX、Comsol、 XFLOW、shonDy、AICFD、CLABSO中的一种或多种。
[0019]作为优选，所述步骤S1中，若闸阀沿纵向正剖面对称，则抽取的阀内流道模型为阀门对称面、阀门进口、阀门出口、阀体内表面、阀芯阀座外表面所包围的半体积；若阀体不沿纵向剖面对称，则抽取的阀内流道模型为阀门进口、阀门出口、阀体内表面、阀芯阀座外表面所包围的全体积；所述纵向正剖面为进口中心点和出口中心的连线与阀门中轴线所在的平面。
[0020]作为优选，所述优化方法中，若闸阀只允许单向流动，则只需要对朝向流体流动一面的阀瓣型面进行优化；若闸阀允许双向流动，则需要对两面阀瓣型面都进行优化。
[0021]进一步的，若闸阀允许双向流动且沿纵向侧剖面对称，则在一面阀瓣型面优化完成之后，其对称面优化为同样的型面，优化总过程为一次；若闸阀允许双向流动且不沿纵向侧剖面对称，则需对阀瓣两面分别进行优化，优化总过程为两次；所述纵向侧剖面为和纵向正剖面垂直且阀门中轴线所在的平面。
[0022]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0023](1)本专利技术实现了大流量闸阀的快速关闭功能，减小关闭响应时间，提升系统的安全性能；
[0024](2)本专利技术采用阀瓣参数化设计方法，根据闸阀阀瓣的现有结构和流动情况，定量求取了减小闸阀响应时间结构参数的最优解，确保在已有条件下达到闸阀的最优性能；
[0025](3)本专利技术基于数值模拟的阀瓣设计方法，能够快速评估闸阀的的关闭响应时间，进行阀瓣型面设计，避免了繁琐复杂的理论计算与实验校正，为工业闸阀的优化设计提供
新的思路。
附图说明
[0026]图1为实施例1中闸阀的三维模型；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法，其特征在于，具体如下：S1：建立阀门开度最大时的待优化闸阀三维模型，抽取阀内流道模型并将其离散为网格模型；利用流体分析软件，基于所述网格模型，赋予阀内介质的流体属性，设置进出口边界条件，将阀杆受到竖直向下的机械传动力作为自变量、将阀瓣下端距离阀座底部的高度设置为因变量，设置流体计算的湍流模型，将阀瓣外壁面设置为固定滑移面、阀杆外壁面及对称面设置为重构面，设置动网格方法、更新步长和监测时间点，得到动网格模型；S2：通过流体分析软件计算所述动网格模型，待计算收敛后，输出以下内容：阀瓣从全开到回座的全流程历经时间，阀瓣外壁面的下降位移、速度和加速度，全流程中流道内的流体速度数据，阀瓣受流体冲击的外表面所受液力分布的数据；通过后处理软件，绘制网格模型纵对称面上随时间变化的速度云图，并根据该时间—速度云图绘制流线图；S3：定义闸阀三维模型内某点到阀座的投影高度为H，入口流道顶端的高度为常量H
in
；根据步骤S2所得阀瓣外壁面的下降位移、速度和加速度，得到当阀瓣加速度最大时，时刻为t
i
时的阀瓣下端距离阀座底部的高度H
Pi
，其中，i的初始值均为1；S4：基于步骤S2和S3的结果，当时刻为t
i
时，根据阀瓣受流体冲击的外表面所受液力分布的数据，得到当阀瓣下端距离阀座底部的高度H
Pi
时，阀瓣受流体介质冲击力的合力点位置A
合
；该合力点到中轴线的距离为D
i
，到阀座底部的投影高度为H
Fi
；阀瓣从全开到回座的历经时间为T
i
；其中，i的初始值均为1；S5：基于步骤S4的结果，根据步骤S2所得流线图，得到当时刻为t
i
时阀内流道的流线图，确定在H
Fi
≤H≤H
in
范围内，处于阀瓣朝向流体流动一侧区域的流线朝向，选择执行S61或S62；S61：若存在从阀瓣下部绕行至阀门出口的流线走向，则执行步骤S7；S62：若所有流线均向上回转至阀瓣上部，则结束优化过程并执行步骤S8；S7：定义ΔD＝0.05D1，更新闸阀阀瓣三维模型，使得D
i
+1＝D
i
‑
ΔD，并重新依次执行步骤S1～S5的操作；随后令i＝i+1；...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱锦远，林仕杰，陈时健，王志敏，叶宗豪，金志江，
申请(专利权)人：中核苏阀科技实业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：