摘要: 为了实现CAP1400的应用需要，对新型柱塞式孔板进行了优化改进。采用通用有限元软件ANSYS WORKBENCH，对柱塞式孔板的流场进行分析，并计算在正常工作条件下的流量控制能力；同时对柱塞式孔板的结构强度进行了分析，并采用ASME BPVC ND进行规范校核。结果表明，此新型柱塞式孔板满足CAP1400的使用要求，也符合规范要求。这种新型柱塞孔板也可以应用于其它类似场景中。
Abstract:
To satisfy the application of CAP1400, a new holed plate was developed. Use the general FEM software ANSYS WORKBENCH to simulate the fluid of holed plate, and calculate the flow of the hole to verify the ability of control flow. And then, the structure analysis was performed to verify the strength of holed plate by ASME BPVC ND code. The results show that the new holed plate has a better ability of control flow. Such holed plate can be extended to the other applications.
1. 引言
柱塞式孔板是流量控制系统中最重要的部件之一，它的性能决定了流量控制系统的性能好坏 [1] [2] [3] [4]。在问题的困难程度、复杂程度、设计工作量等方面，柱塞式孔板都是设计的核心部分 [5] [6] [7]。
基于井筒对排液的影响，翟中波 [8] 对智能柱塞的运动进行了研究，结果表明柱塞的运行速度受井筒的斜率影响。优化后的柱塞具有较好的排水采气效果。黄烨 [9] 以正五边形驱动的多缸径向柱塞泵为研究对象，将缸体置于泵体外侧，采用阀配油方式设计出详细结构，并对泵壳进行静力学分析和模态分析。分析结果表明，此正五边形驱动的五缸径向柱塞泵静力学和模态性能良好，满足应用要求。高林 [10]、贾宁 [11] 基于Amesim恒对柱塞进行了仿真分析，并提出了新的设计方法。朱梅、顾佳林、储诚癸等 [12] 研究了柱塞泵的设计及对于喷灌行为的影响。
综合以上分析，众多学者从不同角度对柱塞的性能、设计等做了许多研究 [13]，得过了许多有应用价值的结论。但是目前还没有应用于CAP1400的柱塞式孔板。本文针对这一新应用工况下的优化后的柱塞式孔板进行了分析，探讨其流量控制能力与结构强度。
2. CAP1400 柱塞孔板设计
新型柱塞式孔板的相关参数见下表1所示，基本上钢材统一采用不锈钢材料。
Table 1. Basic design parameters of the new plunger orifice plate
表1. 新型柱塞孔板基本设计参数
根据CAP1400的功能需要，新型柱塞孔板设计图如下图1所示。其中，部件1为压紧螺柱；部件2为壳体；部件3为密封垫片；部件4为柱塞孔板；部件5为柱塞。
Figure 1. The design diagram of the new plunger orifice plate
图1. 新型柱塞孔板设计图示
3. 性能分析
3.1. 流量分析
为了充分了解柱塞孔板的流量控制性能，首先对柱塞孔的流场进行了分析。边界条件设置为入口速度为正常工作下最大流速为50 m/s；出口位置设置为远场边界条件。图2所示为流场速度图。从图中可以看出，最大速度为柱塞位置，92.3 m/s，速度增加了1.85倍。
Figure 2. The diagram of flow field velocity
图2. 流场速度图
对出口管道统计流量为1.09 m3/h，而设计流量为1.11 m3/h。也就是说，在水介质情况下计算分析流量比试验流量小2%，结果精度符合规范要求。
同时，我们也考察了柱塞孔板的表面压力云图，见图3。从图中可以看出，压力从入口到出口逐步增大，这是因为柱塞孔板出口位置截面大，从而速度小。由伯努力定律可知，压力较大。从孔板入口处可以看出，在前孔位置，压力梯度较大，说明前孔位置流速变化大。由图2也可以看出，水量主要由前孔流出。
Figure 3. The cloud diagram of surface pressure of the plunger orifice plate
图3. 柱塞孔板表面压力云图
3.2. 结构强度校核
根据《ASME BPVC ND》规范，荷载施加如图4所示。孔内压力取正常工作压力8.3 MPa；重力加速度为9806 mm/s2；水平方向加速度取重力加速度的15倍；柱塞孔末端固定结束。与此同时，在流体计算时的流场表面压力也施加到结构相同位置。
Figure 4. The calculation diagram of the plunger structure
图4. 柱塞结构计算图示
图5为第一主应力结果。从图中可以看出，在柱塞孔末端应力最大，最大值为37 MPa，远小于材料强度，符合规范要求。
Figure 5. The diagram of the first principal stress
图5. 第一主应力图示
4. 结论
根据以上结果可以看出，本文所示优化后的柱塞式孔板满足CAP1400的使用要求，同时也满足强度验算规范。