0 引言

    V型球阀是一种直角回转的高级控制阀，主要作调节阀使用，也可作开关阀使用。V 型球阀阀体采用一体化结构设计，结构性能稳定，阀芯设计成带有特殊形状的V 型缺口，所以具有良好的剪切力及自洁功能，尤其适用于含有黏稠、纤维颗粒或有微小固体颗粒状介质的控制；具有良好的等百分比流量特性，控制精确，可调比范围广。因此V 型球阀广泛应用于气体、液体、蒸汽等流体自控系统中，以及化工、生化、石油、多晶硅、化纤、制药、环保、造纸等工业部门。

    V型球阀与阀座具有V 型切口的球体配合，当V 型球阀处于小开度工作时，流经通道截面处的介质由于节流使流速增大，压力较高，流向改变，并会产生涡流。长时间小开度工作，高速且高压的介质从小开度的侧面空间喷射，进行单点冲刷，从而导致阀体内腔和阀座冲刷磨损，特别是当介质中含砂粒时，情况会更严重。导致V型球阀使用寿命不长，通常只有 1~3 个月就需要更换整台阀门。

    针对单点冲刷磨损等问题，设计研究使用寿命较高的防冲刷V 型球阀。该阀在阀体中设置具有挡流板的阀座，挡流板阀座具有挡流功能（降低流量）和改变介质流向，能够使介质从靠近中间的部位通过。V 型球阀在小开度工作时，带砂粒的浆水对阀体内腔的磨损极少，从而大大提高了产品的使用寿命，降低了产品的现场维修率，并提高了安全性能。

1 结构设计

    1.1 材料和结构特征

    防冲刷V 型球阀的主要材料为ASTM A216 中的高温用可熔焊碳钢铸件材料WCA，热处理为退火、或正火、或正火加回火，化学成分和拉伸性能要求分别见表 1，2。

    防冲刷V 型球阀结构包括阀体、阀芯、阀座、 O 型圈、预紧弹簧、上阀杆、下阀杆、执行器、流道、入口、出口，其结构如图 1 所示。

    防冲刷V 型球阀设计结构特征为：
   （1）防冲刷V 型球阀包括阀体，阀体内设有阀座和阀芯，阀芯为具有V 型切口的球体，阀芯的密封球面与阀座配合密封，阀座的通道内具有挡流板，挡流板与阀座连为一体，V 型切口位于球体的左侧，挡流板连在阀座的通道左侧；

   （2）挡流板的右侧边缘为V 型口，V 型口与球体的V 型切口配合；

    （3）球体设置在阀体内腔中，球体的上端连接上阀杆，球体的下端连接下阀杆，阀座与阀体之间设有O 型圈，阀座的外圈设有凹槽圈供O 型圈设置，阀座由预紧弹簧向阀芯预紧配合密封。

    1.2 防冲刷V 型球阀设计

    防冲刷V 型球阀的阀体内设有阀座和阀芯，阀芯为具有V 型切口的球体，阀芯的密封球面与阀座配合密封，球体（即阀芯）设置在阀体内腔中，球体的上端连接上阀杆，球体的下端连接下阀杆，上、下阀杆均采用花键与阀芯连接，连接在阀体上的执行器带动阀芯在阀体内转动，按工况的流量调节需求使阀芯转动对应的开度。阀体内设有填料，填料由压盖压住，上阀杆穿过填料。介质从球阀阀座这侧进入，从另一侧流出，如图 2 所示。

    阀体左端为流道的入口，右端为流道的出口，阀座位于流道的入口处。阀座与阀体之间设有O型圈，阀座的外圈设有凹槽圈供O 型圈设置，方便设置O 型圈起密封作用。阀座由预紧弹簧（如六角弹簧）向阀芯预紧配合密封，以便球体与阀座密封配合。
    阀座中间孔道为通道，该阀座的通道内具有挡流板，挡流板与阀座连为一体，V 型切口位于球体的左侧，挡流板连在阀座通道的左侧。阀座的挡流板具有挡流以及改变介质流向的功能，介质通过阀座时会改变方向，使介质从阀体内腔通道的中间部位通过，对阀体内腔的磨损极少，起防冲刷作用。比如某种工况的流量需要阀芯转动较小的开度（角度），较小开度导致流速大、压力大且单侧单点冲击阀体内腔壁；通过阀座的挡流板挡流，为满足该工况的流量则需要增加阀芯转动的开度，降低了流速和压力，并且通过挡流板改变了流向不会单侧冲击，而是从中部通过。V 型球阀在小开度工作时，带砂粒的浆水对阀体内腔的磨损极少。从而大大提高了产品的使用寿命，降低了产品的现场维修率，并提高了安全性能。

    挡流板的右侧边缘为V 型口，如图 3 所示。

    挡流板的阀座上下对称，V 型口与球体的V型切口配合。当V 型球阀小开度时，V 型口与V型切口相互配合形成菱形口，如图 4 所示。菱形口供介质流过。

    阀芯采用不锈钢铸件制造，阀芯的密封球面全部喷焊镍基合金，喷焊层加工后不小于 0.7 mm，硬度HRC58~65，球体基材与表面材料冶金熔化结合，结合强度高，确保喷焊材料在使用中不会脱落。阀座采用不锈钢锻件制造，密封面喷焊镍基合金，加工后厚度不小于 2 mm，硬度HRC56~60，基材与表面材料冶金熔化结合，结合强度高，确保喷焊材料在使用中不会脱落。

2 挡流板工作仿真分析

    介质包含单相液体或气体、液固两相、气固两相和气液两相等工况条件，流体流动要满足守恒：

式中，ρ为流体密度；Φ为通用变量，代表k，l，m 变量；t 为时间；k 为速度矢量在x 方向的分量；Γ为广义扩散系数；Q 为广义源项；l 为速度矢量在y方向的分量；m 为速度矢量在z 方向的分量。
    由SolidWorks 软件对防冲刷V 型球阀进行建模，三维模型如图 5 所示。
    为了验证挡流板在球阀小开度时如何起作用来改变液流方向及减少涡流，将模型导入SolidWorks Flow Simulation 进行流体动力学仿真，选取球阀（DN65）相对小开度 40% 和 30% 进行分析。介质为带有固体颗粒的常温水，对球阀定义计算域，定义出、入口边界条件，入口质量流量为 0.5 kg/s，出口为静压。