强制密封球阀流场模拟与分析

　　论述了强制密封球阀的结构特点和工作原理，分析了阀门在全开启和刚开启时的流场数值模拟状态，修改了阀座结构，提高了阀门密封的可靠性。

1、概述

　　强制密封球阀( 简称球阀，下同) 在启闭过程中球体与阀座密封面分离，降低了摩擦力矩，减少了密封面的磨损，有效的提高了密封的可靠性，因此在天然气站场的计量装置中得到了广泛的应用。

2、强制密封球阀的工作原理

　　球阀由阀体、阀盖、阀杆、导轨销、球体销、球体和阀座等零部件组成( 图1) 。其阀杆上端带有螺旋槽，下端为楔型面。当球阀处于关闭状态时，逆时针转动手轮，导轨销与螺旋槽相配合使阀杆只作上升运动，阀杆下端与球体销相配合，带动球体脱离阀座密封面，继续转动手轮，将带动球体旋转90°至阀门全开。反之，顺时针转动阀杆，阀杆下降，带动球体反向转动90°，此时球体密封面正对阀座密封面，随着阀杆的继续下降，阀杆楔型面与球体销产生楔力，推动球体密封面紧贴阀座密封面，实现阀门的密封，达到零泄漏。强制密封球阀在转动的过程中由于密封面脱离，只存在填料与阀杆、阀杆螺纹与阀杆螺母之间的摩擦转矩，因此减小了转动力矩。

3、流场分析

　　3.1、流场模型

　　球阀作为切断类阀门，在试验和使用过程中无法观察在全开启和刚开启时流体在阀门内部的流场分布情况，难以实现数据分析。应用FLUENT 软件，可对阀门进行流场模拟分析，预测流场分布情况并优化结构。首先，采用三维绘图软件Solidworks对全开状态下的阀内流道进行建模( 图2) ，然后将模型导入fluent 中进行模拟分析。

1. 导轨销2. 螺旋槽3. 阀杆4. 球体销5. 球体6. 阀座

图1 强制密封球阀

图2 球阀流道模型

4、阀座结构优化

　　球阀刚开启时，由于流通面积小，在全压差下流体流速较大，将对球体密封面产生冲刷。若密封面受到均匀冲刷，可对密封面产生自清洗，有利于阀门密封。反之，若密封面受到不均匀冲刷，将造成密封面损坏，严重时影响密封效果，产生泄漏。因此，提出了阀座结构优化方案( 图4，图5) 。

图4 y = 0 水平截面上速度云图

图5 z = 0 水平截面上速度云图

　　在弧形结构中，靠近阀座密封面处中间部位流速较大，两侧较小，流场分布不均，因此中间部位产生了局部的冲刷，长期使用时可能会产生小范围的凹坑，影响密封效果。在斜形结构中，阀座密封面处的流速与弧形结构方案，流场分布较为均匀，但介质未平滑流过，有小范围压力波动。对比阶梯形方案和斜形方案，速度云图分布几乎相同，但阶梯形方案中在靠近阀座密封面上的流速分布均匀，介质平滑流过，速度云图分布较为合理。综合y = 0 和z = 0水平截面上速度云图分析，可得阶梯形结构的方案相对较好。

5、结语

　　从流场模拟结果分析，强制密封球阀在全开启时流场分布均匀合理，未出现大范围的压力和流速波动。但是，阶梯形结构在球体密封面上流速均匀，平滑过渡，在相同的使用条件下增加了密封面的使用寿命。因此在不影响阀座强度的条件下，可采用将阀座结构修改为阶梯形，以提高密封的可靠性。