阀芯不同开度下球体磨损性能分析   三水高空升降车出租, 三水高空升降车租赁, 三水高空升降车多少钱  由于电站球阀长期工作在高温高压的苛刻环境下，阀门在工作过程中，内部介质的流速高达几十米每秒，这样就会在阀芯由关到开的过程中阀芯前后产生巨大的压差。球阀在开启的过程中，内部高温蒸汽在阀芯前后巨大压差的作用下速度非常大，高速的蒸汽对球体表面会产生一定的磨损与冲刷，加之高温会使阀芯发生蠕变或屈服流动，都会加剧球体的磨损速度。球阀良好的密封性能是衡量球阀能否继续正常工作的重要指标，如果球体长期受高速介质的磨损，球体的表面都会不同程度的受损，从而使得球阀的密封性能大大的降低，以至于阀门报废不能继续使用。虽然许多阀门使用与制造厂家都先后对阀门的关键部位的磨损情况做出了相应实验验证，但具体的实验往往受实验条件的约束，且运用实验的方法只能得到阀门总体质量的变化，得不出具体的磨损集中区域与磨损区域上的磨损速率。然而阀门在实际的使用过程中呈现出来的失效形式主要为局部壁面的减薄或者局部的穿透。利用有限元数值模拟的方法可以对球阀在输送介质过程中的冲蚀磨损问题进行具体的分析。通过计算与分析可以得出不同开度下球体表面的冲蚀与磨损以及磨损速率，对球阀的加工与使用都有一定的指导意义。

     不同开度球阀流道模型建立及边界条件的确定,  建立不同开度球阀与流道模型由于重在分析高速介质对球体的磨损情况，固只建立球阀流道与球体的简化模型，对球阀的其它部件的影响作用可以忽略。所建立得模型阀芯开度分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%，根据球阀结构参数，建模时设定端法兰流道直径和球体流道直径均为201mm，计算流道长度为阀门全长740mm。 进行球体磨损性能分析时主要考虑介质压力与流体速度的作用，在有限元分析时要模拟球阀内部流场的作用，需要对介质实际通过的流道进行建模。三模建模软件UG及有限元分析软件Workbench等都可以将密封区域内的流场进行抽流道操作。将所建立不同开度的球阀简化实体模型导入进行抽取流道，就可以得到阀芯不同开度下的流道模型，流道模型即高速介质的流通区域。

    确定模拟条件与边界条件, 根据实际使用工况确定模拟条件，流体在阀门流道内流道长度较短，因此流体从入口到出口的温度变化范围不会很大，固将连续相的流体介质设定成为不可压缩的流体，其运动粘度为5.7×10-7𝑚2/𝑠，固体颗粒形状可以简化成为球形，其直径大小设定为二十微米，密度为2600kg/𝑚3，模拟条件基本符合设计要求。流场分析中的离散相(DPM)模型只需要考虑流体介质和固体颗粒之间的相互影响作用，不需要来考虑固体颗粒之间的相互作用，所以该模型可以用来模拟分析湍流流体介质中含有稀疏颗粒相的工况。应用DPM模型来模拟流体与固体颗粒对阀芯的磨损时，对固体颗粒的体积分数需控制在10%以内，在实际模拟计算时将颗粒的体积分数设定为3%.流体介质的入口以速度作为边界条件，介质的速度设定为25m/s，出口的边界条件设定为自由流出，介质与壁面之间无相对滑移现象。流体介质连同固体颗粒由入口释放，而且固体颗粒进入流道的速度等于入口处流体介质的速度。固体颗粒在流道壁面处的边界条件设定为反弹类型，由于颗粒很小且速度很快，所以可将颗粒在流道出口处的边界条件可以设定为逃逸类型。

       在数值模拟的过程中，需要建立的数学模型有连续性流体介质的计算模型、离散相固体颗粒的计算模型和磨损量的计算模型三种。不可压缩的流体介质运动控制方程可以表示为：dudt=𝑓−1𝜌∇𝑝−1𝜌∇(23μ∇𝑢)+1𝜌∇(2𝜇𝑠) dudt为流体质点的加速度；𝑓为作用在单位面积上单位质量流体的质量力；−1𝜌∇𝑝为作用在单位面积上单位质量流体的压强；−1𝜌∇(23μ∇𝑢)为作用在单位面积上单位质量流体的粘性体积膨胀；1𝜌∇(2𝜇𝑠)为作用在单位面积上单位质量流体粘性偏应力。对于模拟所采用的k-ε湍流模型，流体介质的湍流粘度为：μ=ρ𝐶𝜇𝑘2/𝜀（6.2）式中：ρ为流体介质的密度；𝐶𝜇为常数；k为流体介质的湍流动能；ε为流体介质湍流的动能耗散率。基于拉格朗日法的固体离散相颗粒的作用力平衡微分方程在x方向的控制方程式为：d𝑢𝑝dt=𝐹𝐷(𝑢−𝑢𝑝)+𝑔𝑥𝜌𝑝(𝜌𝑝−𝜌)+𝐹𝑥 𝑢𝑝为离散相固体颗粒的运动速率，m/s；𝑢为流体介质的速度，m/s；t为时间,s；𝐹𝐷(𝑢−𝑢𝑝)为固体颗粒在单位质量下的力，N；𝑔𝑥为重力加速度在x方向上的分量，m/s2；𝜌𝑝为固体颗粒的密度，kg/m3;ρ为流体密度，kg/m3；Fx为单位质量下其它作用力在x方向的分量。固体颗粒的运动对碳钢等金属材料磨损速率的计算模型表达式为:𝑅𝑒=∑𝑚𝑝𝐴1𝑁𝑝=1𝑓(𝛼)𝑣𝑏(𝑣)𝐴𝐹𝑠（6.4）式中：Re为流道壁面磨损速率，kg/(𝑚2·𝑠)；N为运动过程中与壁面碰撞颗粒的数量；𝑚𝑝为颗粒的质量流量，kg/s；α为颗粒与壁面碰撞的角度，rad；f(𝛼)为颗粒与壁面碰撞角度的函数；𝑣为颗粒的速度，m/s；𝑏(𝑣)为速度函数；A为与材52料有关的系数；𝐹𝑠为颗粒的形状系数，圆形颗粒一般取0.2，尖锐形颗粒取1，半圆形颗粒取0.53；A1为流道壁面计算单元的面积，m2。

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     不同开度下球体磨损性能分析, 将所建立的阀芯不同开度下流体的流道模型导入Fluent流体分析软件，对阀芯不同开度下的CFD模型添加模拟条件与边间条件，分析求解球体在不同开度下其内部流体介质的流速分布情况及其流体介质对球体的磨损情况。阀芯开度为80%的模拟计算过程的残差图，在模拟计算时残差迭代了6981次收敛。 为分析阀芯不同开度下内部流体介质对球阀壁面的磨损情况，分别对开度为20%-90%时的球阀简化模型做了数值模拟计算与分析，分别得到了不同开度下球阀壁面磨损分布图和内部介质速度矢量分布图。阀芯不同开度下球阀壁面磨损图。 可以得出，当阀芯开度为20%-40%时，介质对球阀壁面的磨损区域主要出现在入口处，磨损很快；随着阀芯开度增大，阀芯处磨损加剧，当开度达到80%时，壁面磨损变得很小，磨损面由原来的带状变成点状和块状。阀芯不同开度下球阀内部介质速度矢量分布图。 由阀芯不同开度下球阀内部介质速度矢量分布图可以得出，当阀芯开度较小时，由于阀芯前后较大的压差和流阻使得阀芯微小开口处介质流速很大，且在出口处形成了一个较为明显的漩涡回流现象。随着球阀阀芯开度的增大（60%-70%），阀芯处也出现了较为明显的涡流回旋。随着阀芯开度的进一步增大，阀芯前后压差减小，内部介质流速减小且趋于入口流速。球阀阀芯的开度与球阀壁面最大磨损率和阀芯不同开度与内部介质最大流速的对应变化曲线图。由阀芯不同开度下壁面的磨损速率和介质最大流速变化曲线图可以得知，随着球阀阀芯开度的增大，介质的最大流速与壁面的磨损速率都相应减小，尤其是当阀芯开度由20%增大到50%的过程中，介质的流速和壁面的磨损速率变化尤为明显。当开度继续增大时，壁面磨损速率没有明显的变化，但介质流速还会继续减小。壁面磨损的变化趋势和介质流速变化趋势一致，说明介质的流速是影响壁面磨损快慢的一个重要因素，阀芯开度较小时介质速度和磨损都较快，所以在操作阀门的过程中应尽量缩短阀芯开度处于20%-50%的时间。——磨损速率——介质流速. 建立了球阀阀芯不同开度下球阀结构简化模型，从建立的模型中抽取了不同开度下的流道模型，将不同开度下的流道模型导入数值模拟软件Fluent，添加模拟条件和边界条件对其分别进行数值模拟计算，得到了阀芯不同开度下壁面磨损速率分布图和内部介质流速矢量分布图。由分析计算结果得出，随着阀芯开度的不断增大，壁面磨损速率相继减小，当开度达到80%以上时，磨损速率不再发生明显变化；壁面磨损区域位置由起初的阀芯入口处到阀芯处再到出口和入口与阀芯的连接处；磨损域面形状由开始的带状变为最后的点状或块状。随着阀芯开度的增大，内部介质的流速不断减小。当开度为20%-50%之间时，介质的流速和壁面的磨损速率都较大，在阀门操作时应尽量缩短阀芯开度处于20%-50%之间的时间。

      阀门的正常安全工作对整个电站系统的正常作业有重大的意义，电站球阀做为电站系统的辅机之一，在实际作业过程中不仅承受各种压力的作用，还要承受很高的温度，高温高压同时作用在阀门上使得阀门承受很大的应力，会产生较大的应变，对阀门的密封性能影响很大。本文将传统的计算与有限元分析结合起来，对球阀在实际工况下的受力及应变情况作了具体的分析，讨论了应力与应变及阀芯磨损的主要影响因素。总结全文，本文主要得到以下结论：（1）经过对球阀各个主要承力部位的受力分析与计算，得到了阀门密封面上的作用力与阀门主要承载部件承载应力的大小。在设计要求下密封面上的总作用力为98468N，球阀密封面上必须密封比压为23.3MPa;螺旋弹簧的初始预紧力为12193N，连接法兰上的均布力大小为155182.5N;推力轴承承载的压力为26.3MPa；固定球球阀阀杆在全压差下的启闭转矩为14215486.4N∙mm。球阀密封面上的密封比压满足密封性能的要求，阀杆与止推轴承等承载部件强度满足要求。（2）对球阀在备用工况和操作工况下分别进行热力耦合场与应力场的求解，经过对应应力的对比得到当温度场与应力场同时作用的时候，两者之间有相互抵消的现象。将不同的温度下耦合场的应力数据拟合成函数表达式，对函数表达式进行迭代求解，得出当工作温度达到98℃左右时，温度场与应力场之间开始相互影响。（3）在热力耦合场的作用下，阀门的等效应力相对会有所减小，但应变量反而增加，对应变量最大的球体结构参数做了目标驱动优化设计，得出了球体直径为200mm，流道通径为160.5mm，凸台高度为31mm时球体在热力耦合场作用下应变量最小。（4）利用有限元分析软件将球体与球体外镀层模型进行分析，得出了在同等工况不同镀层厚度下的等效应力与等效应变值，对比分析结果，得到球体外镀层厚度取0.2mm-0.25mm最为合理。（5）通过对阀芯不同开度下壁面磨损速率及内部介质流速的数值模拟计算，得出随着阀芯开度的不断增大，壁面磨损速率相继减小，当开度达到80%以上时，磨损速率不再发生明显变化；壁面磨损区域位置由起初的阀芯入口处到阀芯处再到出口和入口与阀芯的连接处，磨损面由开始的带状变为最后的点状或块状。随着阀芯开度的增大，内部介质的流速不断减小。当开度为20%-50%之间时，介质的流速和壁面的磨损速率都较大，在阀门操作时应尽量缩短阀芯开度处于20%-50%之间的时间。产品投产前的模拟分析对产品质量的提升有很大的帮助。