1 概述
蝶閥因成本低、體積小、質量輕和壽命長等優(yōu)勢在工業(yè)領域應用廣泛。在高速風洞閥門系統(tǒng)改造以及新建風洞閥門系統(tǒng)配置中，也逐漸采用以電動蝶閥、液動蝶閥和套筒式調壓閥依照氣流的流向依次布置的模式（圖1）。近年來隨著風洞試驗任務的增加，幾座主力風洞大口徑蝶閥先后出現(xiàn)執(zhí)行機構失效、閥桿斷裂、蝶板蒙皮破裂以及閥桿軸向竄動等類型的故障，嚴重影響了風洞試驗的順利進行。而蝶閥的上述故障在水電、核電等應用領域并不常見。風洞蝶閥的使用不同于其他領域的特點是啟閉頻繁（每試驗一次啟閉一次），啟閉速度快（3s左右），沖擊大，振動劇烈，而影響蝶閥振動的主要因素是蝶板，因此迫切需要研究高速風洞蝶閥不同結構蝶板及不同開度下的流場。通過改善蝶閥的流場來提高蝶閥的可靠性，這對于確保風洞試驗的順利進行有著十分重要的意義。
圖1 高速風洞閥門配置
2 蝶板結構及其流場
2.1 蝶板結構
根據(jù)壓力及口徑的不同，蝶板的結構形式也有所不同。風洞蝶閥的蝶板結構形式主要有框架式、蒙皮式和蒙皮開孔式。
（1）框架式蝶板
小口徑蝶閥的蝶板通常鑄造成兩面均為流線型的結構形式。大口徑蝶閥（DN≥1000）蝶板整體鑄造會導致鑄件自重和成本增加，同時驅動裝置的驅動扭矩也需加大。大口徑蝶閥的蝶板*常見的樣式是蝶板承壓一側為光滑龜背結構，另一側為框架結構，以便在保證剛度和強度的同時減輕自重（圖2）。
（a）蝶板背面（龜背側）（b）蝶板正面（框架側）
圖2 框架式蝶板
（2）蒙皮式蝶板
為了減小流阻系數(shù)，提高流通性能，有時將框架所形成的空腔以蒙皮覆蓋。以某風洞DN2500蝶閥蝶板為例，該蝶閥蝶板蒙皮厚度為10mm的整塊圓鋼板，圓周方向拼焊在蝶板上，蒙皮中間與相應框架筋板間以塞焊方式固定（圖3）。實踐證明蒙皮式蝶板容易出現(xiàn)裂紋，塞焊處易脫落，個別蝶板塞焊處蒙皮有圓形放射狀裂紋，同時向外隆起（圖4）。隨著風洞試驗次數(shù)的增加，裂紋不斷擴展，多次補焊依然無法杜絕該問題，說明僅僅通過補焊不能解決問題。
圖3 蒙皮式蝶板
圖4 塞焊點蒙皮破裂
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（3）蒙皮開孔式蝶板
經(jīng)分析，裂紋是由于閥門振動造成的，而隆起是因為蒙皮內腔壓力大于外部壓力所致。為了減小蒙皮兩端壓差，在蒙皮適當位置開平衡孔形成蒙皮開孔式蝶板。以某風洞DN2500蝶閥蝶板為例，該蝶板共開φ16mm的平衡孔341個，開孔面積率約為2.2%（圖5）。開孔后實際使用效果良好。
圖5 蒙皮開孔
2.2 流場分析
近年來，CFD方法取得了很大的發(fā)展，計算準確、界面友好，使用簡單。目前，與三維CAD無縫集成的CFD軟件SolidWorksCOSMOSFloWorks可直接應用SolidWorks所生成的與實物一致的模型來分析。采用該軟件分析某超音速風洞不同蝶板結構情況下的流場。
模擬參數(shù)按實際風洞試驗條件給定，模擬試驗介質為空氣，進口流速為32m/s，進出口外接管道長度各為閥門通徑的5倍，進口壓力為2.0MPa，出口壓力為大氣壓。氣流方向為實際運行方向，即從蝶板龜背側管道向蝶板框架側管道方向流動。
圖6所示為框架式蝶板流場。蝶閥全開時，龜背下游存在低壓區(qū)，蝶板框架側由于空腔的影響，流速分布不均勻，壓力梯度較大。
（a）速度云圖 （b）壓力云圖
圖6 框架式蝶板流場32m/s
（a）速度云圖 （b）壓力云圖
圖7 蒙皮式蝶板流場32m/s
圖7所示為蒙皮式蝶板流場。根據(jù)圖示的流場云圖來看，與框架式蝶板相比，增加蒙皮后蝶板框架側由于蒙皮的作用，流場有所改善，壓力分布較均勻，局部壓力梯度減小，有利于減小振動。
圖8所示為蒙皮開孔式蝶板流場。根據(jù)圖示的流場云圖分析，與蒙皮式蝶板相比，蒙皮開孔后蝶板框架－蒙皮側的速度和壓力分布更加均勻。由于蒙皮側的氣流場變得較為平穩(wěn)也減輕了對龜背側氣流場的干擾，從圖8中可看出龜背側渦流區(qū)比圖7中的情況有明顯的減小，有利于進一步緩解蝶板的振動。
（a）速度云圖 （b）壓力云圖
圖8 蒙皮開孔式蝶板流場32m/s
3 蝶閥不同開度及其流場
選取閥門開度為45%和10%的兩種典型工況研究閥門開啟過程的流場情況。按照風洞實際試驗時的參數(shù)作為邊界條件，蝶板形式以蒙皮開孔式結構為研究對象。
如圖9云圖所示，蝶閥開度為45%時，由于蝶板阻隔，流速分布呈現(xiàn)明顯不均勻性，在兩側流道的中心區(qū)域，流速明顯增加，并形成渦流。速度較大的區(qū)域集中在蝶板直徑處（與閥桿垂直方向）的兩側狹窄流道區(qū)域，對管道沖擊較大。由于在蝶板蒙皮側存在局部低壓區(qū)，且經(jīng)蝶板兩側流過的兩股氣體存在著較大的速度差，在蝶板蒙皮側形成了較大的漩渦。
（a）速度云圖 （b）壓力云圖
圖9 蝶板開度45%時的流場32m/s
如圖10云圖所示，蝶板開度為10%時，其前部流速接近為0，氣流幾乎被堵住，與閥桿垂直方向的蝶板直徑處兩側狹窄流道流速較快，且數(shù)值明顯高于開度45%的情況。
（a）速度云圖 （b）壓力云圖
圖10 蝶板開度10%時的流場32m/s
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比較圖8、圖9和圖10，可以看出，蝶閥在開啟過程中，流場波動較大，特別是在45%開度時渦流區(qū)域較大，這是導致閥體及管道強烈振動的主要原因。
因此，在蝶閥開啟過程中必須減小閥門前后的壓差，有效降低閥門開啟過程中氣流對閥體及管道的沖擊，從而減少振動，降低驅動裝置的負載，提高閥門的可靠性，延長閥門壽命。根據(jù)超音速風洞閥門系統(tǒng)的布局和運行規(guī)律，采用增加小口徑旁路閥的方式實現(xiàn)上述目標。如圖11所示，電動蝶閥和液動蝶閥均增加一小口徑旁路閥，用以平衡蝶閥前后的壓差。在整個試驗過程中，閥門系統(tǒng)的工作流程為先打開各自的旁路閥來降低蝶閥前后壓差，待壓力基本平衡后，關閉旁路閥，然后再打開蝶閥，進行試驗，試驗結束后，依次關閉調壓閥、液動蝶閥和電動蝶閥。從實際使用情況來看，該措施極大地改善了蝶閥的使用工況，蝶閥開啟過程平穩(wěn)，故障率降低。
圖11 蝶閥兩端增加旁路
4 結語
超音速風洞大口徑蝶閥的蝶板可通過焊接蒙皮以及在蒙皮上開孔的方式來改善蝶板周圍流場。通過在蝶閥兩端增設旁路閥的方式可減小蝶閥開啟過程中氣流對閥體及管道的沖擊，減小振動。實踐證明，所采取的上述兩項措施可有效降低蝶閥的故障率，延長蝶閥的使用壽命，使風洞運行更加安全可靠。
參考文獻
〔1〕劉健，李福堂，蝶閥流場的數(shù)值模擬及分析〔J〕．閥門，2008（3）．
〔2〕童成彪，COSMOSFloWorks在閥門流體分析中的應用〔M〕．數(shù)字化設計，2008：66－69．
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