先導式減壓閥動靜態(tài)特性研究

2014-03-26 王程勇湖北三江航天紅峰控制有限公司

　　介紹了氣體先導式減壓閥的工作原理，建立了減壓閥閥芯節(jié)流數(shù)學模型，分析了減壓閥靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

1、概述

　　減壓閥是一種自動降低管路工作壓力的專門裝置，作用是在給定減壓范圍后，將閥前管路較高的壓力降低至閥后管路所需的水平。減壓閥廣泛用于高層建筑、城市給水管網(wǎng)水壓過高的區(qū)域、礦井和氣體管路等。隨著工業(yè)控制精度的提高，減壓閥的控制精度也逐步提高，要求閥后壓力穩(wěn)定，過流能力大，反向壓力損失小，瞬態(tài)恢復時間短，減壓和卸壓時間短，壓力超調(diào)率低，開展減壓閥靜態(tài)和動態(tài)特性研究，有利于了解其控制能力和狀態(tài)。

2、工作原理

　　先導式減壓閥主要由閥體、主彈簧、主閥芯、主閥座、活塞、先導彈簧、先導閥芯、先導閥座、先導活塞和調(diào)整彈簧等組成( 圖1) 。擰動調(diào)節(jié)螺釘，壓縮調(diào)整彈簧，頂開先導閥芯，介質(zhì)從進口側(cè)進入活塞上方，由于活塞面積大于主閥閥芯面積，推動活塞向下移動，使主閥打開，由閥后壓力平衡調(diào)節(jié)彈簧的壓力改變導閥的開度，從而改變活塞上方的壓力，控制主閥芯的開度使閥后壓力保持恒定。

先導式減壓閥

1. 閥體2. 主彈簧3. 主閥芯4. 主閥座5. 活塞6. 先導彈簧7. 先導閥芯8. 先導閥座9. 先導活塞10. 調(diào)整彈簧

圖1 先導式減壓閥

　　減壓閥基本原理是采用氣體在管路中的節(jié)流效應而減壓。閥芯節(jié)流處方程為

閥芯節(jié)流處方程

3、仿真建模

　　先導式減壓閥采用AMESim 軟件( Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering System) 建模( 圖2) 。假設氣體為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程。忽略減壓閥工作過程的溫度變化和節(jié)流處的阻尼，工作過程中節(jié)流處流量系數(shù)不變; 各容腔內(nèi)的壓力場均勻分布，氣源為恒壓源。

先導式減壓閥AMESim 模型

1. 主彈簧2. 活塞3. 主閥芯4. 出口5. 氣體屬性 6. 氣源7. 調(diào)整彈簧8. 先導閥芯9. 先導活塞10. 先導彈簧

圖2 先導式減壓閥AMESim 模型

4、特性分析

　　減壓閥的特性分靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩種。靜態(tài)特性是指在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，減壓閥出口壓力與進口壓力或流量等參數(shù)間的函數(shù)關系。動態(tài)特性是指在進口壓力或流量突然變化或其他擾動因素的作用下，減壓閥出口壓力與時間的函數(shù)關系。

　　4.1、靜態(tài)特性

　　靜態(tài)仿真結果如圖3 所示，P1為進口試驗壓力( P1 = 20MPa) ，P2為出口試驗數(shù)據(jù)，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分別為進口試驗壓力為20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口壓力。從試驗結果分析，進口壓力為20 MPa 時，其試驗數(shù)據(jù)和仿真P2 - 20數(shù)據(jù)變化

　　趨勢基本相同，初始階段出口壓力快速上升。經(jīng)過適當振蕩后壓力逐漸穩(wěn)定，超調(diào)量較小僅為3%，最終試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定在4. 35 MPa，P2 - 20穩(wěn)定在4.25MPa，兩者有一定差異，但在可接受范圍內(nèi)，模型較準確。利用模型仿真的進口壓力15 MPa 和10MPa下出口壓力的變化情況，對比P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10曲線可以發(fā)現(xiàn)，三條曲線變化趨勢相同。在穩(wěn)定階段壓力波動狀態(tài)完全一致，在不同壓力下出口壓力也不相同，進口壓力越小則出口壓力也越小，但比進口壓力減小比例小，即出口壓力變化小，符合減壓閥設計要求。

進口壓力和出口壓力的試驗和仿真數(shù)據(jù)