Aplicação de válvulas borboleta de grande diâmetro para túneis de vento intermitentes de alta velocidade

Resumo: Este artigo aborda os desafios operacionais daVálvulas borboleta de grande diâmetroUsado em 2 m-classe em grande escala intermitente túneis de vento de alta velocidade. Um projeto otimizado para uma válvula borboleta hidráulica DN2500 é proposto. A análise dos elementos finitos foi realizada para avaliar a concentração de tensões e características modais da válvula reprojetada. Os resultados indicam que as tensões em seções críticas sob condições extremas de operação satisfazem os requisitos de projeto e o desempenho vibratório é aceitável. Aplicações de engenharia demonstram que a válvula borboleta fornece desempenho de vedação confiável, baixo bloqueio de fluxo e baixa taxa de falhas, garantindo operação estável e de longo prazo.

Túneis de vento intermitentes de alta velocidade requerem válvulas de ação rápida em gasodutos pressurizados. Devido à sua estrutura compacta, peso leve, compatibilidade com vários sistemas de atuação e alta eficiência de abertura e fechamento, as válvulas borboleta são amplamente utilizadas em tais instalações. Tomando o túnel de vento supersônico CARDC 2 m como exemplo, essa instalação possui uma ampla faixa de números Mach, ampla faixa de pressão dinâmica e excelente qualidade de campo de fluxo. Como o maior túnel de vento supersônico da China em termos de tamanho de seção de teste, ele experimenta cargas de impacto aerodinâmico significativamente maiores do que os túneis de vento intermitentes convencionais, impondo requisitos rigorosos de desempenho à válvula borboleta.

No momento, os principais problemas encontrados com válvulas borboleta incluem:

• Desgaste da placa borboleta e sua superfície de vedação
• Desgaste da haste da válvula e buchas
• Afrouxamento da conexão entre o atuador e o corpo da válvula
• Deslocamento do pino de localização entre o eixo rotativo e a placa borboleta
• Desempenho de contato ruim das superfícies de fechamento

Essas questões surgem principalmente de condições de carga aerodinâmicas complexas, incluindo cargas de impacto de acionamento frequente da válvula, vibrações não lineares aleatórias severas, degradação da rigidez do material e danos cumulativos por fadiga. Para garantir a operação segura e confiável dos testes em túnel de vento, este artigo propõe um projeto otimizado baseado na válvula borboleta hidráulica DN2500 original. Os principais componentes estruturais foram otimizados para atender aos requisitos específicos de desempenho das válvulas borboleta de grande diâmetro que operam em túneis de vento intermitentes de alta velocidade.

As válvulas de ação rápida em túneis de vento diferem significativamente das válvulas industriais convencionais porque operam com frequência e são submetidas a cargas aerodinâmicas complexas e altamente variáveis. A principal válvula de ação rápida no túnel de vento supersônico de 2 m é uma válvula borboleta hidráulica DN2500, instalada a montante do túnel, conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1 Posição da válvula

A configuração estrutural da válvula borboleta hidráulica DN2500 é mostrada na Figura 2. Seus principais componentes incluem o corpo da válvula, a placa da válvula, a haste da válvula, os rolamentos de suporte em ambas as extremidades da haste, a vedação haste-corpo, a vedação placa-corpo e o sistema de atuação hidráulica.

Figura 2 DN2500 válvula borboleta hidráulica estrutura

A válvula borboleta hidráulica foi selecionada pelas seguintes razões:

• Possui uma estrutura compacta e alto custo-benefício.
• Um cilindro hidráulico aciona um mecanismo de manivela para atingir 90 ° de rotação durante a abertura e fechamento, proporcionando alto torque e atuação rápida.
• Adota um projeto triplo-excêntrico da selagem do metal-à-metal, tendo por resultado o desgaste mínimo dos componentes da selagem.

Os principais requisitos de design e parâmetros da válvula borboleta são os seguintes:

Trabalhando meio: Secar ar comprimido

Diâmetro nominal: 2500 mm

Pressão nominal: 2,5 MPa

Pressão operacional: 0-2 MPa

Temperatura operacional: − 10 a 50 °C

Configuração estrutural: Válvula borboleta selada metal-metal triplo excêntrica

Instalação orientação: Horizontal

Abertura e fechamento do tempo: Ajustável dentro 3-10 s

Frequência de operação: 10-30 ciclos por dia em média

Relação do bloqueio do fluxo: Menos de 22%

Relação mínima da abertura da válvula: Não menos de 3%

Selando o desempenho: Zero escapamento

O conceito geral do projeto se concentra na otimização dos principais componentes da válvula, atendendo totalmente aos parâmetros de projeto especificados. A rigidez estrutural e a resistência são aprimoradas para garantir uma operação confiável e de longo prazo sob cargas pneumáticas complexas e altamente variáveis. Com base nos requisitos descritos acima, os principais componentes da válvula borboleta recém-desenvolvida foram projetados da seguinte forma:

Como o componente mais crítico da válvula borboleta triplo-excêntrica, a placa borboleta foi projetada para atingir uma baixa taxa de bloqueio do fluxo, maior rigidez estrutural e características de fluxo estável, como mostrado na Figura 3. A passagem do fluxo da válvula foi ampliada e o diâmetro do fluxo na superfície de vedação foi maximizado, minimizando a área ocupada. Este projeto aumenta a área efetiva do fluxo e reduz o bloqueio do fluxo. A relação calculada do bloqueio é 17,7%, cumprindo a exigência de menos de 22%.

Figura 3 DN2500 válvula borboleta disco

Para aumentar a resistência do corpo da válvula às cargas de impacto pneumático e às forças excêntricas geradas durante a atuação do cilindro hidráulico, e para melhorar sua capacidade e rigidez totais do carga-rolamento, um projeto de corpo de válvula de alta resistência e alta rigidez foi adotado, como mostrado na Figura 4.

Figura 4 DN2500 borboleta válvula corpo

O corpo da válvula é integralmente fundido com nervuras circunferenciais e longitudinais reforçadas, e a espessura da parede foi aumentada em conformidade. De acordo com cálculos baseados em ASME B16.34, a espessura da parede necessária é de 47,8mm. Considerando a tolerância à corrosão, a espessura da parede foi aumentada dos 50 mm originais para 60mm.

Para aumentar a resistência à fadiga e prolongar a vida útil, o diâmetro e a resistência do material da haste da válvula foram aumentados. Como um componente de suporte de carga crítico da válvula borboleta, o diâmetro da haste foi aumentado, garantindo que os requisitos de bloqueio do fluxo permanecessem satisfeitos. O diâmetro calculado da haste é 280mm, e um diâmetro final de 320 mm foi selecionado para melhorar a confiabilidade da engenharia. A haste da válvula é tipicamente feita de aço inoxidável 20Cr13. No entanto, dados os frequentes ciclos de abertura e fechamento na operação prática, o aço temperado e temperado de alta resistência 30CrMnSiA foi selecionado para aumentar o desempenho de resistência e fadiga, estendendo assim a vida útil da válvula. Uma comparação das propriedades mecânicas dos dois materiais da haste é apresentada na Tabela 1, onde R₀.₂ denota a força de escoamento de 0,2%, Rₘ a resistência à tração e HBW a dureza Brinell.

Tabela 1 Comparação dos materiais da haste da válvula

Além disso, a haste da válvula é suportada por rolamentos autolubrificantes JDB feitos de latão de alta resistência incorporado com grafite. Esses rolamentos oferecem alta capacidade de carga, baixo atrito e desgaste mínimo, garantindo a operação confiável a longo prazo da válvula.

A concentração do esforço é um factor crítico no projecto estrutural da válvula. A determinação precisa de tensões em regiões de concentração de tensão é essencial para avaliar tanto a integridade estrutural quanto a vida útil da válvula. No projeto convencional de válvulas, a geometria externa é definida primeiro para atender aos requisitos operacionais, seguida de simulações numéricas para verificar a resistência estrutural. Neste estudo, o modelo tridimensional da válvula borboleta otimizada foi importado para a ANSYS para análise de tensões em elementos finitos. Devido à estrutura assimétrica da válvula borboleta hidráulica triplo-excêntrica, o modelo de elementos finitos manteve todos os componentes primários de suporte de carga, enquanto peças sem suporte de carga, como a base, suporte e atuador, foram omitidas para melhorar a eficiência computacional. O modelo final dos elementos finitos é mostrado na Figura 5.

Figura 5 DN2500 borboleta válvula modelo elemento finito

Em operação, a válvula borboleta hidráulica triplo-excêntrica é conectada à tubulação em ambas as extremidades. Restrições fixas foram aplicadas a ambas as extremidades da válvula no modelo de elementos finitos para representar as condições de contorno reais. As condições limite do deslocamento são ilustradas na Figura 6.

Figura 6 Aplicação das condições-limite

Sob condições operacionais nominais, uma pressão de 2,5 MPa foi aplicada na superfície da placa borboleta e na cavidade interna no lado de entrada, e a força exercida pelo gargalo da válvula no corpo da válvula foi de 63.030 N. Sob condições de teste hidrostático, uma pressão de 3,75 MPa foi aplicada em ambos os lados da placa borboleta e nas superfícies da cavidade interna, resultando em uma força de 94.545 N exercida pelo gargalo da válvula no corpo da válvula. As distribuições de tensão resultantes sob pressões operacionais e hidrostáticas nominais são mostradas nas Figuras 7 e 8, respectivamente. Com base nos resultados da análise de tensão, as linhas de classificação de tensão A-A, B-B e C-C foram definidas nas regiões mais críticas de concentração de tensão do corpo da válvula, conforme mostrado na Figura 9.

Figura 7 Contour tensão sob pressão operacional nominal
Figura 8 Contour do esforço sob a pressão hidrostática
Figura 9 Linhas classificativas de tensão em seções críticas do corpo

De acordo com a teoria da falha da força, a válvula é sujeitada primeiramente às tensões da membrana e da dobra. De acordo com a teoria da linearização do esforço, o esforço total em cada seção crítica foi decomposto na membrana e em componentes dobrando do esforço. A tensão média uniformemente distribuída corresponde à tensão primária da membrana Pm, o componente que varia linearmente corresponde à tensão primária de flexão Pb e a porção não linear restante representa a tensão secundária, conforme ilustrado na Figura 10.

Figura 10 Classificação e linearização do estresse

Os critérios de aceitação da tensão são definidos da seguinte forma: sob pressão operacional nominal, a tensão equivalente da membrana primária deve satisfazer Pm≤Sm, e a tensão equivalente combinada de membrana mais flexão deve satisfazer Pm Pb≤ 1.5Sm. Sob pressão de teste hidrostático, os critérios são Pm≤ 0.95Sy e Pm Po≤ 1.43Sy, onde Sy é a força de escoamento do material e Sm é a tensão permitida. Os resultados da avaliação das tensões sob as pressões operacionais e hidrostáticas nominais estão resumidos nas Tabelas 2 e 3, respectivamente.

Tabela 2 Avaliação do esforço sob pressão operacional nominal (MPa)

Tabela 3 Avaliação do esforço sob a pressão hidrostática do teste (MPa)

Sob pressão operacional nominal, a tensão permitida é Sm = 138MPa, e o limite correspondente para membrana combinada e tensão de flexão é 1.5Sm = 207 MPa. Conforme mostrado nos quadros 2 e 3, as tensões em todas as três seções críticas sob pressão operacional nominal e pressão de teste hidrostática satisfazem os requisitos de projeto.

A análise modal impõe requisitos rigorosos à qualidade da malha. Embora a malha adaptativa possa melhorar a eficiência da malha, ela pode comprometer a precisão das soluções modais. Portanto, durante a malha, a função de malha adaptativa integrada do software foi combinada com otimização manual direcionada, levando em consideração os recursos computacionais disponíveis e os requisitos do problema de engenharia real. A malha otimizada dos elementos finitos é mostrada na Figura 11. As Figuras 12-17 ilustram os primeiros seis modos de vibração da válvula borboleta triple-excêntrica hidráulica DN2500.

Figura 11 Malha otimizada do elemento finito

Figura 12 válvula borboleta hidráulica DN2500-primeiro modo vibração

Figura 13 DN2500 válvula borboleta hidráulica segundo modo vibração

Figura 14 válvula borboleta hidráulica DN2500-terceiro modo vibração

Figura 15 válvula borboleta hidráulica DN2500-quarto vibração modo

Figura 16 válvula borboleta hidráulica DN2500-quinto modo vibração

Figura 17 Válvula borboleta hidráulica DN2500-sexto modo vibratório

Com base nos resultados do cálculo, as frequências modais e as amplitudes máximas de vibração correspondentes dos seis primeiros modos foram extraídas e estão resumidas na Tabela 4. Os resultados indicam que as amplitudes de vibração da válvula em todas as frequências modais permanecem em níveis baixos, E a operação a curto prazo nestas frequências não é esperada induzir dano estrutural ou danificar a integridade da válvula. Na operação prática, os potenciais riscos de ressonância podem ser ainda mais mitigados estendendo adequadamente os tempos de abertura e fechamento da válvula, evitando assim a operação prolongada perto das frequências naturais listadas na Tabela 4.

Tabela 4 Frequências modais e amplitudes máximas de cada modo

O corpo da válvula foi submetido a um teste de pressão hidráulica de acordo com GB/T 13927-2008, Teste de Pressão de Válvulas Industriais. O teste foi realizado a 1,5 vezes a pressão de projeto (2,5 MPa), ou seja, 3,75 MPa, com uma duração de retenção de pressão de 10 minutos. Posteriormente, foi realizado um teste de vedação a 2,0 MPa (pressão máxima de trabalho) usando ar como meio de teste, com uma duração de retenção de 10 minutos e uma taxa de vazamento especificada de 0,01 kg/s. Os resultados indicam que tanto o teste de pressão hidráulica quanto o teste de vedação atenderam aos requisitos da norma.

Desde o comissionamento, a válvula borboleta hidráulica DN2500 completou aproximadamente 500 ciclos de abertura e fechamento, atendendo aos requisitos do túnel de vento transitório de alta velocidade para desempenho de vedação e velocidade de atuação. Testes de processo no local confirmaram que a válvula atendeu às especificações do projeto, apoiando efetivamente as operações do túnel de vento para vários projetos. Os resultados dos ensaios técnicos estão resumidos no quadro 5.

Tabela 5 Registros do teste engenharia

Com base nas características operacionais da válvula borboleta e nos requisitos específicos de um túnel de vento intermitente de alta velocidade, a válvula foi otimizada em termos de seleção de material e configuração estrutural. A análise numérica e os testes de engenharia demonstram que a válvula borboleta hidráulica DN2500 atende às especificações de projeto esperadas, oferece vedação confiável, mantém o bloqueio de baixo fluxo e garante a operação segura e estável do túnel de vento durante longos períodos. Este trabalho fornece uma referência valiosa para o projeto e a aplicação de válvulas borboleta hidráulicas de grande diâmetro em aplicações intermitentes de túnel de vento de alta velocidade.