論述了強(qiáng)制密封球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，分析了閥門(mén)在全開(kāi)啟和剛開(kāi)啟時(shí)的流場(chǎng)數(shù)值模擬狀態(tài)，修改了閥座結(jié)構(gòu)，提高了閥門(mén)密封的可靠性。

1、概述

　　強(qiáng)制密封球閥( 簡(jiǎn)稱(chēng)球閥，下同) 在啟閉過(guò)程中球體與閥座密封面分離，降低了摩擦力矩，減少了密封面的磨損，有效的提高了密封的可靠性，因此在天然氣站場(chǎng)的計(jì)量裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。

2、強(qiáng)制密封球閥的工作原理

　　球閥由閥體、閥蓋、閥桿、導(dǎo)軌銷(xiāo)、球體銷(xiāo)、球體和閥座等零部件組成( 圖1) 。其閥桿上端帶有螺旋槽，下端為楔型面。當(dāng)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，導(dǎo)軌銷(xiāo)與螺旋槽相配合使閥桿只作上升運(yùn)動(dòng)，閥桿下端與球體銷(xiāo)相配合，帶動(dòng)球體脫離閥座密封面，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，將帶動(dòng)球體旋轉(zhuǎn)90°至閥門(mén)全開(kāi)。反之，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿，閥桿下降，帶動(dòng)球體反向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，此時(shí)球體密封面正對(duì)閥座密封面，隨著閥桿的繼續(xù)下降，閥桿楔型面與球體銷(xiāo)產(chǎn)生楔力，推動(dòng)球體密封面緊貼閥座密封面，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的密封，達(dá)到零泄漏。強(qiáng)制密封球閥在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中由于密封面脫離，只存在填料與閥桿、閥桿螺紋與閥桿螺母之間的摩擦轉(zhuǎn)矩，因此減小了轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

3、流場(chǎng)分析

　　3.1、流場(chǎng)模型

　　球閥作為切斷類(lèi)閥門(mén)，在試驗(yàn)和使用過(guò)程中無(wú)法觀察在全開(kāi)啟和剛開(kāi)啟時(shí)流體在閥門(mén)內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用FLUENT 軟件，可對(duì)閥門(mén)進(jìn)行流場(chǎng)模擬分析，預(yù)測(cè)流場(chǎng)分布情況并優(yōu)化結(jié)構(gòu)。首先，采用三維繪圖軟件Solidworks對(duì)全開(kāi)狀態(tài)下的閥內(nèi)流道進(jìn)行建模( 圖2) ，然后將模型導(dǎo)入fluent 中進(jìn)行模擬分析。

1. 導(dǎo)軌銷(xiāo)2. 螺旋槽3. 閥桿4. 球體銷(xiāo)5. 球體6. 閥座

圖1 強(qiáng)制密封球閥

圖2 球閥流道模型

4、閥座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　球閥剛開(kāi)啟時(shí)，由于流通面積小，在全壓差下流體流速較大，將對(duì)球體密封面產(chǎn)生沖刷。若密封面受到均勻沖刷，可對(duì)密封面產(chǎn)生自清洗，有利于閥門(mén)密封。反之，若密封面受到不均勻沖刷，將造成密封面損壞，嚴(yán)重時(shí)影響密封效果，產(chǎn)生泄漏。因此，提出了閥座結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案( 圖4，圖5) 。

圖4 y = 0 水平截面上速度云圖

圖5 z = 0 水平截面上速度云圖

　　在弧形結(jié)構(gòu)中，靠近閥座密封面處中間部位流速較大，兩側(cè)較小，流場(chǎng)分布不均，因此中間部位產(chǎn)生了局部的沖刷，長(zhǎng)期使用時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生小范圍的凹坑，影響密封效果。在斜形結(jié)構(gòu)中，閥座密封面處的流速與弧形結(jié)構(gòu)方案，流場(chǎng)分布較為均勻，但介質(zhì)未平滑流過(guò)，有小范圍壓力波動(dòng)。對(duì)比階梯形方案和斜形方案，速度云圖分布幾乎相同，但階梯形方案中在靠近閥座密封面上的流速分布均勻，介質(zhì)平滑流過(guò)，速度云圖分布較為合理。綜合y = 0 和z = 0水平截面上速度云圖分析，可得階梯形結(jié)構(gòu)的方案相對(duì)較好。

5、結(jié)語(yǔ)

　　從流場(chǎng)模擬結(jié)果分析，強(qiáng)制密封球閥在全開(kāi)啟時(shí)流場(chǎng)分布均勻合理，未出現(xiàn)大范圍的壓力和流速波動(dòng)。但是，階梯形結(jié)構(gòu)在球體密封面上流速均勻，平滑過(guò)渡，在相同的使用條件下增加了密封面的使用壽命。因此在不影響閥座強(qiáng)度的條件下，可采用將閥座結(jié)構(gòu)修改為階梯形，以提高密封的可靠性。