扇形阀口连续波旋转阀参数化优化设计方法分析

扇形阀口连续波旋转阀参数化优化设计
方法分析
摘要：旋转RTO的旋转阀在实际应用中存在诸多不足，主要原因是设计缺乏
合理性，急需进行优化设计。

而若旋转阀优化设计中运用常规设计方法，需要构
建较多模型，影响研发效率。

所以，本文通过介绍旋转阀应用现状，针对扇形阀
口连续波旋转阀提出一种参数化优化设计方法，介绍了设计原理和模型构建方法，并展开实例分析，证明仿真结果是正确的，可为旋转阀优化设计提供重要的理论
参考。

关键词：扇形阀口；连续波；旋转阀；参数化；优化设计
一、前言
现有旋转RTO的旋转阀有很多设计不合理之处，需要优化设计以提
升气封效果。

常规的旋转阀设计方法通常需要构建多个模型，进而在有限元软件
利用下实现流体动力学仿真，对波形进行分析，并掌握阀体受力变化规律，在此
技术上使所设计旋转阀的结构更加合理，一系列流程使得设计过于繁杂，设计者
面临巨大的工作量，不利于高效研发。

对此，文章针对扇形阀口连续波旋转阀，
提出一种参数化设计方法，在优化设计中通过软件构建系列化模型，随后通过有
限元分析软件对目标流场模型展开抽离和分析，具有更高自动化程度，且参数更
加准确。

二、旋转阀应用现状
目前市场上处理有机废气的蓄热式焚烧炉采用厢式RTO较多，也有不少外企
及国内少数企业在研用旋转RTO，现有旋转RTO的旋转阀在实际应用中有以下情况：①接触式旋转阀结构，即转动部分和静止部分是直接接触，且用硬密封圈或
软密封圈加压条压紧，这种接触式旋转阀结构投入使用后易磨损，一旦出现磨损
则会出现窜气、漏气现象，从而降低废气的处理效率。

同时软密封容易老化、破
损，如遇废气中含特殊有机组份、腐蚀组份、烟气温度高时，都会容易导致密封
失效而使旋转RTO处理效率降低；②非接触式旋转阀结构，即旋转阀的3个通道
即进气、出气和反吹通过1台旋转阀芯有序的连接起来，旋转阀芯与各通道之间
的连接采用固定座加特殊硬质密封环进行密封，同时结合面有气封进行保护。

现
有非接触式的旋转阀，气封点布置不合理，局部甚至没有有效隔阻，同时密封面
间隙调整不方便且难控制。

为促进技术革新，有必要基于现有旋转阀设计的不合
理之处，探究旋转阀参数化优化设计方法。

三、扇形阀口连续波旋转阀参数化优化设计方法
1、参数化原理
针对扇形阀口连续波旋转阀实现参数化设计，其实就是基于参数化平台实现
系列化模型的产生和控制，在对关键变量进行设定之后实现模型调整，从而生成
若干系列化的且具有可控性的模板旋转阀，随后经参数化网络尺寸打造模板流场
相应有限元模型[1]。

在模型构建基础上，实现CFX流场仿真探究，获得结构参数，并掌握工艺参数具体影响规律，最终完成新产品设计。

如图1是旋转阀的参数化
设计流程。

图1 旋转阀的参数化设计流程
2、数学模型
连续波旋转阀和普通阀门一样，都是能够调节节流口尺寸的节流元件，流体
流经旋转阀过程中，受到定转子影响，流通面积会出现部分缩小情况，并产生局
部阻力，类似于孔板节流。

而在旋转阀改变其流通面积情况下，会使流体速度及
压力同步发生改变，进而使得流体流经旋转阀的时候损失一定能量，此处的阻力
损失一般通过阀前及阀后两者压差来体现。

目前应用较多的节流方式有细长孔节流、短孔节流、薄壁小孔节流、缝隙节
流等，而孔口节流一般根据小孔长度及直径两者之比（即L/d）进行类别划分，
具体是L/d不大于0.5属于薄壁小孔，超过4属于细长小孔，而大于0.5但是不
大于4就属短孔。

对于连续波旋转阀，其叶片主要选择薄片，也就是L/d不超过0.5，所以设
计中主要参考薄壁小孔节流相关原理。

针对薄壁小孔，其流量主要按照以下公式
计算：
Q=C q A
公式（1）
在该公式中，Q指流体流量，单位是m3/s；C q指连续波旋转阀其阀口的流量
系数，接近于常数，可取0.9；A指其阀口的流通面积，单位是m2；指流体密度，单位是kg/m3；指阀口前后的压力值差值，单位是Pa。

基于公式（1），经过变换得出阀口前后压力值差值的计算公式，即：
公
式（2）
根据此公式，可发现在明确、C q以及Q情况下，阀口前后压力值差值和流
体流通面积两者会随着时间的推移逐渐呈现出反比关系，也就是只要结构参数和
流通面积相关，均会对流体压力波信号产生影响。

3、建立参数化模型
要针对旋转阀建立参数化模型，主要涉及两个方面，即网格参数化
以及结构参数化。

由于连续波脉冲发生器有着非常复杂的内部结构，所以为简化
计算，需要适当简化旋转阀的结构，主要是将其基本形状看做是两个部分，即转子、定子。

根据阀体结构特征以及工作原理、模型确定旋转阀结构参数，主要有
转子分室数量、定转子轴向间距、定转子直径、旋转阀的阀口形状等。

（1）结构参数化
扇形阀口连续波旋转阀涉及到多种结构、多种尺寸，为全面实现流
场仿真分析，需要先针对旋转阀以及外围管道构建参数化模型，进而进行流体填充，针对流体部分选择压缩抽离措施，最后获得需要计算的流体区域。

在旋转阀
以及管道尺寸发生改变之后，相应区域也会发生改变，这在对结构参数不同的旋
转阀流场仿真分析中属于重要基础。

如图2为旋转阀流体模型，涉及到两个部分，分别是旋转区域（也就是转子
区域）以及非旋转区域，在此情况下，需要对流道进行网格划分。

为方便计算，
所划分流道计算模型主要包括入口区、出口区、转子区、定子区以及间隙区。

相
关模型构建期间，把定转子特征尺寸看做是特征设计参数尺寸，包括出口长度、
入口长度、阀片阵列数以及定转子结构尺寸等，以参数化的构建旋转阀模型。

图2 旋转阀流体模型
（2）网格参数化
不管是结构网格亦或是非结构网格，均要在网格生成期间经历几何模型构建、网格划分以及边界区域设置等流程。

在有限元分析期间，网格划分属于关键环节，其质量会对最终计算收敛以及结果精度产生直接影响。

在设计过程中，要先面向旋转阀流场模型独立化的设置各分区网格，具体是
在了解各个部分流动特征基础上，于出口区、入口区还有间隙区相应流体区域设
计O形网格，确保边壁部位具有较高网格质量。

而定子区、转子区相应的结构还
有流场都具有较高复杂性，主要可选择非结构网络，同步进行边界层的设置。

考虑到计算区域当中不同点位有着不同的流动复杂性，其中最复杂的是转子区，出口区整体复杂性最低，因此针对转子区域所划分的网格密度最高，其次是
定子区域，而出口区域密度最低。

以参数化的形式设计全部的网格尺寸，若相应网格尺寸有修改需求，可对尺
寸参数进行直接修改，以方便对比相近模型，并便于研究各个结构的参数以及连
续波信号受到网格尺寸改变的影响程度。

对于旋转阀来说，和其性能密切相关的各结构参数以及网格尺寸参数在实现
参数化设定中均可在模型构建期间做出定义和标注，输入界面也会同步直观的呈
现相应变量，模板文件能够支持CFX分析计算，促进建模分析一体化。

四、实例分析
针对十扇形阀口旋转阀进行参数化设计与分析，首先构建基准模型（如图3），相关参数如表1。

图3 一种非接触式迷宫气封浮顶旋转阀模型
图中：1、转阀壳体；2、旋转阀芯；3、第一密封座；4、第二密封座；5、
密封迷宫密封座；6、进气腔；7、反吹腔；8、出气腔；9、柔性气囊；10、固定
支撑件；11、盖板；12、分度盘；13、浮动密封条；14、安装架；15、伺服电机；
16、小齿轮；17、大齿轮；18、进气管；19、导气管；20、出气管；21、调节阀。

管中流体设定为空气，以参数化方法优化分析差异化的厚度、间隙、长度、
面积等。

一种非接触式迷宫气封浮顶旋转阀在使用时，通过设置有柔性气囊9和
浮动密封条13，通过增加可调节的柔性支撑，旋转阀芯2可以根据实际运行效果
进行在线调节，旋转阀顶面增加了浮动柔性密封，提高了原有的气封效果，同时
设置有反吹腔7和密封迷宫密封座5，在迷宫密封之间设置气封，实现了双重密封，可以在线进行调整，进气侧和出气侧密封得以有效保证，从而有效保证旋转RTO的去除效率达到99%以上。

随后保持特定的工艺参数，此时仿真计算模型相应三维流场，探究在转子点位发生改变时的连续波旋转阀速度场以及压力场、旋转流线。

另外转子在进行连续性旋转期间，会对流体产生周期性的阻挡力，由此产生层层压力波，并同步朝着上方和下方传递。

对旋转阀进行参数化优化设计之后，利用连续波旋转阀相关测试装置展开测试试验，通过对比仿真结果与试验数据，明确仿真结果是否正确。

试验中通过压力传感器测取出入口的压力，工业屏幕当中显示流量情况，转子承受的气力转矩则通过扭矩传感器进行测取。

试验验证中，利用软件进行波形监测。

通过对比试验波形及仿真波形，发现两者基本一致，证明仿真结果是正确的。

五、结束语
上文在旋转阀优化设计中，提出一种结合旋转阀结构特征和参数化设计原理的参数化设计方法，并配合使用有限元分析法，有助于使旋转阀设计及研发周期明显缩短，减少试验频次。

在参数化设计方法应用下进行旋转阀设计，通过试验测试，发现仿真结果和测试结果一致，代表上述方法是正确的，具有突出的参考价值。

参考文献：
[1]杨宝华.旋转阀的选型设计[J].化工装备技术,2020,41(01):16-20.。