論述了70MPa 高壓差調(diào)節(jié)閥的使用要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。通過(guò)CFdesign 軟件對(duì)其介質(zhì)流場(chǎng)進(jìn)行分析，得到了介質(zhì)流通過(guò)程中壓降的分布情況，為其閥體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和避免空化、氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生提供了科學(xué)的理論依據(jù)。

1、概述

　　壓裂工具動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置提供一種模擬壓裂真實(shí)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，用于水平井壓裂技術(shù)研發(fā)中的單項(xiàng)工具實(shí)驗(yàn)和成品壓裂完井工具進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)前的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，如攜砂壓裂液對(duì)壓裂工具的沖蝕實(shí)驗(yàn)、壓裂噴口及射孔噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和真實(shí)壓裂環(huán)境( 高壓、大排量、攜砂) 條件下工具的可靠性實(shí)驗(yàn)及破壞性實(shí)驗(yàn)等。模擬試驗(yàn)裝置中高壓節(jié)流調(diào)節(jié)閥用于調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部壓力，其內(nèi)部機(jī)構(gòu)采用耐沖蝕設(shè)計(jì)，節(jié)流壓差最大70MPa，壓力自動(dòng)連續(xù)調(diào)整。

2、參數(shù)

　　額定實(shí)驗(yàn)壓力70MPa

　　流量調(diào)節(jié)范圍0 ～ 3m3 /min

　　口徑78mm( 31 /16 in. )

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)

　　連接形式RTJ 環(huán)連接

3、結(jié)構(gòu)

　　高壓差調(diào)節(jié)閥( 圖1) 的兩個(gè)節(jié)流串聯(lián)在閥體內(nèi)，兩閥芯由一套驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)，同步運(yùn)動(dòng)，其介質(zhì)參數(shù)( 流量、壓力) 的變化呈正相關(guān)關(guān)系。介質(zhì)由第一個(gè)節(jié)流件節(jié)流后經(jīng)閥內(nèi)兩路并行的通道再進(jìn)入第二個(gè)節(jié)流件。閥芯內(nèi)設(shè)置了上下通連的壓力平衡孔，通過(guò)壓力平衡孔將下腔的低壓引至閥芯頂部，以減小介質(zhì)壓力引起的作用在閥芯軸向的不平衡力、減小執(zhí)行器負(fù)荷。電動(dòng)執(zhí)行器推桿與兩個(gè)閥芯由一個(gè)導(dǎo)向裝置連接。每個(gè)閥芯節(jié)流等級(jí)初定設(shè)計(jì)為14 級(jí)、并讓介質(zhì)不斷作90°轉(zhuǎn)向以消耗其動(dòng)能，達(dá)到減速降壓差的目的。

4、流場(chǎng)分析

　　4.1、提出問(wèn)題

　　高壓差調(diào)節(jié)閥在使用過(guò)程中，由于介質(zhì)的壓差很高，很容易產(chǎn)生空化和氣蝕，對(duì)閥門的使用壽命造成很大的影響。同時(shí)，介質(zhì)的高速?zèng)_刷也會(huì)對(duì)閥門產(chǎn)生極大的震動(dòng)和噪音。因此，通過(guò)CFdesign 軟件對(duì)介質(zhì)的流場(chǎng)分析，可以知道節(jié)流閥芯各部分的壓降大小，驗(yàn)證壓差是否控制在設(shè)計(jì)要求內(nèi)，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1、6. 節(jié)流套筒2. 閥芯3. 節(jié)流環(huán)4. 閥蓋5. 閥體

圖1 70MPa 高壓差調(diào)節(jié)閥

　　4.2、實(shí)體造型

　　采用三維繪圖軟件Solid works 建模，造型過(guò)程中將圓角、倒角等與流道無(wú)關(guān)的組件忽略，閥體按照其組裝件的結(jié)構(gòu)整體建立成一個(gè)零件，簡(jiǎn)化閥體外型。進(jìn)出口分別拉伸2 倍和3 倍口徑長(zhǎng)度的管徑，以確保穩(wěn)定的收斂狀態(tài)。將Solid works 中的模型導(dǎo)入CFdesign 中( 圖2) ，比較導(dǎo)入前后的模型，確保信息的完整性。進(jìn)口壓力設(shè)定為70MPa，出口壓力設(shè)定為0MPa，閥體材料為固體，介質(zhì)為常溫水。

圖2 CFdesign 中的閥體模型

　　4.3、網(wǎng)格的劃分

　　將閥體、套筒、節(jié)流閥桿等與流場(chǎng)分析無(wú)關(guān)的部件抑制，在對(duì)流體介質(zhì)網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，充分利用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)在模型尺寸發(fā)生突變處自動(dòng)將網(wǎng)格細(xì)化的功能，使整個(gè)模型自動(dòng)分配網(wǎng)格，劃分后的模型網(wǎng)格有931 818 個(gè)單元( 圖3) 。

圖3 流體域網(wǎng)格的劃分

5、結(jié)果處理

　　將迭代步數(shù)設(shè)為1 000，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)運(yùn)行到862 步時(shí)，運(yùn)行結(jié)束，參數(shù)收斂。截取x - z 平面，得到切面的速度云圖和壓力云圖( 圖4，圖5) 。

圖4 X - Z 切面速度云圖

圖5 X - Z 切面壓力云圖

　　由速度云圖可知，進(jìn)出口平均流速V =12. 76m /s。根據(jù)流量的計(jì)算公式

Q = VS ( 1)

　　式中Q———流量，m3 /min

　　V———進(jìn)出口的平均流速( V = 12. 76) ，m /s

　　S———進(jìn)出口的截面積( S = 4 638) ，mm2將已知數(shù)據(jù)代入式( 1) ，流量Q = 3. 53m3 /min。分析其計(jì)算結(jié)果，14 級(jí)節(jié)流閥芯的流量3. 53m3 /min 比實(shí)驗(yàn)要求的流量調(diào)節(jié)范圍0 ～3m3 /min 偏大，所以將閥芯節(jié)流件增加一級(jí)，為15 級(jí)。重新進(jìn)行分析計(jì)算，直到參數(shù)收斂，此時(shí)進(jìn)出口平均流速V = 9. 6m /s，流量Q = 2. 67m3 /min，在實(shí)驗(yàn)要求的0 ～3m3 /min 范圍內(nèi)， 15 級(jí)節(jié)流的閥芯結(jié)構(gòu)滿足實(shí)驗(yàn)要求。

6、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)增加閥芯節(jié)流級(jí)數(shù)，改變了閥門的流量調(diào)節(jié)范圍，延長(zhǎng)了閥門的使用壽命，同時(shí)達(dá)到了減音降噪的效果。