高压差调节阀结构改进

　　论述了70MPa 高压差调节阀的使用要求和结构特点。通过CFdesign 软件对其介质流场进行分析，得到了介质流通过程中压降的分布情况，为其阀体的结构优化和避免空化、气蚀现象的产生提供了科学的理论依据。

1、概述

　　压裂工具动态模拟试验装置提供一种模拟压裂真实状态的实验环境，用于水平井压裂技术研发中的单项工具实验和成品压裂完井工具进入现场前的评价实验，如携砂压裂液对压裂工具的冲蚀实验、压裂喷口及射孔喷嘴结构优化实验和真实压裂环境( 高压、大排量、携砂) 条件下工具的可靠性实验及破坏性实验等。模拟试验装置中高压节流调节阀用于调整系统内部压力，其内部机构采用耐冲蚀设计，节流压差最大70MPa，压力自动连续调整。

2、参数

　　额定实验压力70MPa

　　流量调节范围0 ～ 3m3 /min

　　口径78mm( 31 /16 in. )

　　执行机构电动

　　连接形式RTJ 环连接

3、结构

　　高压差调节阀( 图1) 的两个节流串联在阀体内，两阀芯由一套驱动装置带动，同步运动，其介质参数( 流量、压力) 的变化呈正相关关系。介质由第一个节流件节流后经阀内两路并行的通道再进入第二个节流件。阀芯内设置了上下通连的压力平衡孔，通过压力平衡孔将下腔的低压引至阀芯顶部，以减小介质压力引起的作用在阀芯轴向的不平衡力、减小执行器负荷。电动执行器推杆与两个阀芯由一个导向装置连接。每个阀芯节流等级初定设计为14 级、并让介质不断作90°转向以消耗其动能，达到减速降压差的目的。

4、流场分析

　　4.1、提出问题

　　高压差调节阀在使用过程中，由于介质的压差很高，很容易产生空化和气蚀，对阀门的使用寿命造成很大的影响。同时，介质的高速冲刷也会对阀门产生极大的震动和噪音。因此，通过CFdesign 软件对介质的流场分析，可以知道节流阀芯各部分的压降大小，验证压差是否控制在设计要求内，优化产品的结构设计。

1、6. 节流套筒2. 阀芯3. 节流环4. 阀盖5. 阀体

图1 70MPa 高压差调节阀

　　4.2、实体造型

　　采用三维绘图软件Solid works 建模，造型过程中将圆角、倒角等与流道无关的组件忽略，阀体按照其组装件的结构整体建立成一个零件，简化阀体外型。进出口分别拉伸2 倍和3 倍口径长度的管径，以确保稳定的收敛状态。将Solid works 中的模型导入CFdesign 中( 图2) ，比较导入前后的模型，确保信息的完整性。进口压力设定为70MPa，出口压力设定为0MPa，阀体材料为固体，介质为常温水。

图2 CFdesign 中的阀体模型

　　4.3、网格的划分

　　将阀体、套筒、节流阀杆等与流场分析无关的部件抑制，在对流体介质网格划分的过程中，充分利用自适应网格划分技术在模型尺寸发生突变处自动将网格细化的功能，使整个模型自动分配网格，划分后的模型网格有931 818 个单元( 图3) 。

图3 流体域网格的划分

5、结果处理

　　将迭代步数设为1 000，点击运行按钮，进行分析计算，当运行到862 步时，运行结束，参数收敛。截取x - z 平面，得到切面的速度云图和压力云图( 图4，图5) 。

图4 X - Z 切面速度云图

图5 X - Z 切面压力云图

　　由速度云图可知，进出口平均流速V =12. 76m /s。根据流量的计算公式

Q = VS ( 1)

　　式中Q———流量，m3 /min

　　V———进出口的平均流速( V = 12. 76) ，m /s

　　S———进出口的截面积( S = 4 638) ，mm2将已知数据代入式( 1) ，流量Q = 3. 53m3 /min。分析其计算结果，14 级节流阀芯的流量3. 53m3 /min 比实验要求的流量调节范围0 ～3m3 /min 偏大，所以将阀芯节流件增加一级，为15 级。重新进行分析计算，直到参数收敛，此时进出口平均流速V = 9. 6m /s，流量Q = 2. 67m3 /min，在实验要求的0 ～3m3 /min 范围内， 15 级节流的阀芯结构满足实验要求。

6、结语

　　通过增加阀芯节流级数，改变了阀门的流量调节范围，延长了阀门的使用寿命，同时达到了减音降噪的效果。