Las válvulas de mariposa de sello metálico de triple excéntrico de gran diámetro son ampliamente utilizadas en los campos de la petróleo, química, metalurgia, energía eléctrica y otros industriales. Tienen una estructura compacta, un excelente rendimiento de sellado, resistencia a altas temperaturas y altas presiones, y una fuerte resistencia a la corrosión. Muestran ventajas únicas especialmente en aplicaciones de gran diámetro. Sin embargo, a medida que aumenta el diámetro de la válvula, la fuerza ejercida por el fluido sobre la válvula aumenta bruscamente, y el problema de vibración causado por el acoplamiento fluido-estructura se vuelve más evidente. Esta vibración no solo afecta la estabilidad de trabajo de la válvula, sino que también puede causar daños por fatiga estructural y acortar la vida útil. CHNLGVF丨中國大乾閥門 ha estudiado las características de vibración de acoplamiento fluido-sólido de las válvulas de mariposa de sello metálico de triple excéntrico de gran diámetro en respuesta a estos problemas, y ha propuesto una estrategia de optimización estructural para proporcionar una base teórica y orientación práctica para el desarrollo y fabricación de válvulas de mariposa de alta calidad.

En comparación con las válvulas de mariposa tradicionales, las válvulas de mariposa excéntricas triples tienen un diseño excéntrico tridimensional, que incluye la excentricidad axial y radial del eje de la válvula en relación con el centro del asiento de la válvula, así como la excentricidad geométrica de la superficie cónica del asiento de la válvula y la placa de mariposa. Este diseño permite que el contacto entre la placa de mariposa y el asiento de la válvula se complete solo en una área muy pequeña durante el proceso de apertura y cierre de la válvula, lo que reduce la fricción y el desgaste y prolonga la vida útil de la válvula.

El principio de funcionamiento de la válvula de mariposa de triple excéntrica se basa principalmente en el efecto de la excentricidad geométrica tridimensional. Cuando la válvula se abre, la placa de mariposa se separa rápidamente del asiento de la válvula, reduciendo la resistencia por fricción; durante el proceso de cierre, la placa de mariposa entra en contacto gradualmente con el asiento de válvula cónico, creando una fuerza de sellado uniforme. El diseño de triple excéntrica mejora eficazmente el rendimiento de sellado y la eficiencia de trabajo de la válvula de mariposa, especialmente manteniendo un efecto de sellado estable bajo alta temperatura y alta presión.

Las válvulas de mariposa de gran diámetro tienen grandes ventajas en el proceso de transporte y control de fluidos, pero a medida que aumenta el diámetro, la fuerza ejercida por la potencia del fluido sobre la válvula aumenta significativamente. Estas fuerzas incluyen la fuerza de impacto, el par de rotación y la vibración, que plantean desafíos severos para la estabilidad estructural, el sellado y la vida útil de la válvula de mariposa. Por lo tanto, cómo optimizar el diseño estructural de las válvulas de mariposa en condiciones de gran diámetro y reducir la vibración causada por el acoplamiento fluido-sólido es un problema urgente que debe resolverse.

Las características del campo de flujo de una válvula de mariposa excéntrica triple de gran diámetro son una base importante para estudiar su vibración de acoplamiento fluido-estructura. A altas velocidades de flujo, los vórtices, la turbulencia y los cambios de presión local generados cuando el fluido pasa a través de la válvula producirán fuerzas de impacto y vibraciones inducidas en el cuerpo de la válvula y la placa de la válvula. Las características del campo de flujo incluyen principalmente:

Distribución de la velocidad del fluido: El campo de velocidad del fluido que pasa a través de la válvula es desigual, especialmente cerca de la placa de mariposa, lo que genera fuertes vórtices y gradientes de presión, lo que producirá fuerzas inestables en la válvula.

Distribución de presión y diferencia de presión: Existe una gran diferencia de presión entre la entrada y la salida de las válvulas de gran diámetro. Especialmente durante el proceso de apertura y cierre local, el campo de flujo local experimenta cambios drásticos de presión, lo que hace que la placa de la válvula esté sujeta a grandes fluctuaciones de presión, causando vibraciones.

La tecnología de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) puede simular con precisión las características del campo de flujo de válvulas de mariposa excéntricas triples de gran diámetro bajo diferentes condiciones de trabajo, y analizar los cambios en el campo de flujo de la válvula en estados de apertura, cierre y diferentes estados de apertura. Estos datos proporcionan una referencia importante para el análisis de vibraciones posterior.

La interacción fluido-estructura (FSI) se refiere al proceso dinámico de interacción entre el fluido y la estructura. En las válvulas de mariposa de gran diámetro, el impacto del fluido en la placa de la válvula y el cuerpo de la válvula causará una deformación elástica de la estructura. La deformación de la estructura a su vez afecta el estado de flujo del fluido. Ambos trabajan juntos para formar un fenómeno de vibración. Las principales manifestaciones del acoplamiento fluido-estructura incluyen los siguientes aspectos.

La vibración inducida por la turbulencia: La turbulencia formada cuando el fluido pasa a través de la válvula de mariposa ejerce una fuerza pulsante inestable sobre la placa de la válvula, provocando que la placa de la válvula vibre periódicamente. Esta vibración puede causar concentración de tensiones en la estructura y provocar daños por fatiga estructural.

Fluctuación de presión y resonancia: Cuando la frecuencia del flujo de fluido está cerca de la frecuencia natural del cuerpo de la válvula o de la placa de la válvula, se inducirá una resonancia estructural. La resonancia amplificará la amplitud de vibración y en casos graves puede causar daños a la estructura de la válvula.

Excitación fluida y vibración autoexcitada: A altas tasas de flujo, pueden ocurrir fenómenos de excitación fluida en áreas locales de la válvula, especialmente la vibración autoexcitada causada por el desprendimiento de vórtices, lo que supone un desafío para la estabilidad estructural de la placa de mariposa y el cuerpo de la válvula.

Bajo la acción de un fluido a alta presión, las partes clave de las válvulas de mariposa de triple excéntrico de gran diámetro, como la placa de mariposa, el asiento de la válvula y el cuerpo de la válvula, soportarán un complejo estrés mecánico. Estos esfuerzos incluyen principalmente el esfuerzo cortante, el esfuerzo compresivo causado por la presión hidrodinámica y la concentración de esfuerzos causada por el peso propio de la estructura. La concentración de esfuerzos puede provocar deformación plástica local, especialmente durante el uso a largo plazo, el daño por fatiga será más evidente.

El análisis de elementos finitos (FEA) puede simular con precisión la distribución de esfuerzos y deformaciones de la estructura de la válvula. Al analizar la distribución de esfuerzos bajo diferentes condiciones de trabajo, podemos identificar áreas de concentración de esfuerzos y reducir el impacto de la concentración de esfuerzos en la vida útil de la válvula mediante la optimización estructural y la selección de materiales.

La resonancia es uno de los problemas clave en la vibración de la válvula de mariposa. Cuando la frecuencia natural de la válvula está cerca de la frecuencia de excitación del fluido, puede producirse resonancia en la estructura. La resonancia puede amplificar significativamente la amplitud de la vibración, lo que lleva al daño por fatiga de los componentes de la válvula o a fallos en el sellado. Por lo tanto, en el diseño de la válvula de mariposa, se debe considerar cómo evitar problemas de resonancia.

La frecuencia natural de la válvula de mariposa se puede obtener a través del análisis modal, y combinada con el análisis de dinámica de fluidos, se puede calcular la frecuencia de excitación inducida por el fluido. Para evitar la resonancia, los parámetros estructurales del cuerpo de la válvula y la placa de la válvula pueden ajustarse para que sus frecuencias naturales estén lejos de la frecuencia de excitación del fluido y así evitar la ocurrencia de resonancia.

Para reducir el impacto de la vibración acoplada fluido-estructura en el rendimiento de la válvula de mariposa, optimizar la forma de la placa de la válvula es una de las estrategias importantes. El diseño aerodinámico de la placa de la válvula puede reducir eficazmente el impacto del fluido en la placa de la válvula y disminuir la generación de vórtices y turbulencias. Además, aumentar la rigidez y la distribución de masa razonable de la placa de la válvula puede mejorar su rendimiento anti-vibración.

La selección de materiales tiene un impacto importante en las características de vibración de las válvulas de mariposa excéntricas triples de gran diámetro. CHNLGVF丨中國大乾閥門丨China Dagangyangmao introduce materiales de aleación de alta resistencia para aumentar la rigidez del cuerpo de la válvula y de la placa de la válvula, mejorando así su resistencia a la vibración. Al mismo tiempo, el uso de nuevos materiales compuestos puede reducir el peso de la válvula y disminuir el impacto del fluido en la estructura, reduciendo así la amplitud de la vibración.

Para reducir aún más los efectos de vibración de las válvulas de mariposa, se pueden agregar materiales amortiguadores dentro del cuerpo de la válvula o en la superficie de la placa de mariposa. Estos materiales amortiguadores pueden absorber eficazmente la energía de vibración y reducir la transmisión de la vibración. Al mismo tiempo, agregar soportes elásticos o amortiguadores a partes clave también puede aliviar efectivamente los problemas de vibración causados por el acoplamiento fluido-estructura.

Para mejorar las características del campo de flujo de la válvula de mariposa excéntrica triple de gran diámetro, se puede reducir la fluctuación de presión y la formación de turbulencias del fluido al pasar por la válvula mediante la optimización del diseño del canal de flujo interno de la válvula. Por ejemplo, una placa guía o un orificio guía diseñado adecuadamente pueden dirigir el fluido a través de la válvula de manera suave, reducir las corrientes de remolino locales y la separación del flujo, reduciendo así el riesgo de vibración.

El I+D y la fabricación de válvulas de mariposa excéntricas triples de gran diámetro requieren tecnología de procesamiento de alta precisión. CHNLGVF丨中國大乾閥門 ha introducido tecnologías avanzadas de fabricación como el mecanizado CNC y la impresión 3D para garantizar la precisión de procesamiento de las piezas clave de la válvula. Especialmente durante el procesamiento de la placa de la válvula y el asiento de la válvula, se utilizan máquinas herramienta CNC de alta precisión para garantizar la rugosidad de la superficie y la precisión geométrica, y para garantizar una buena coordinación de las superficies de sellado.

Para verificar las características de vibración y estabilidad estructural de la válvula de mariposa, CHNLGVF realizó pruebas rigurosas y verificación experimental. Esto incluye pruebas de campo de flujo, análisis modal, pruebas de estrés y deformación, etc. en el laboratorio para simular el estado de trabajo de la válvula bajo diferentes condiciones de trabajo. A través de estas pruebas, no solo se puede verificar la racionalidad del diseño de la válvula, sino que también se puede proporcionar soporte de datos para la optimización posterior.

En la investigación y desarrollo de válvulas de mariposa de sello metálico de triple excéntrico de gran diámetro, CHNLGVF丨中國大乾閥門 adoptó avanzados análisis de dinámica de fluidos y estrategias de optimización estructural para abordar el problema de la vibración de acoplamiento fluido-sólido. Al optimizar el diseño de la placa de la válvula, la selección de materiales y el control del campo de flujo, se mejora significativamente el rendimiento antivibración y la vida útil de la válvula. En el futuro, con el continuo avance de la fabricación inteligente y la ciencia de materiales, el rendimiento y la fiabilidad de las válvulas de mariposa se mejorarán aún más, promoviendo la aplicación generalizada de la tecnología de válvulas de mariposa en varios campos industriales importantes.