Zusammenfassung: Starke Strömungsinstabilitäten in Ventilen beeinträchtigen deren Betriebsstabilität und können sogar Vibrationen verursachen, wodurch der sichere Betrieb der Anlage gefährdet wird. Diese Arbeit untersucht ein Regelventil und verwendet dazu einen miniaturisierten Hochfrequenz-Dynamikdrucksensor und dessen Datenerfassungssystem. Messpunkte werden an Schlüsselstellen im Ventilkörper, wie z. B. im Ventilsitz und am Ventilteller, platziert, um Experimente unter verschiedenen Betriebsbedingungen und aus unterschiedlichen Blickwinkeln durchzuführen. Die dynamischen Drucksignale des Strömungsfelds unter Vibrationen oder instabilen Bedingungen der Ventilspindel werden mittels Spektralanalyse erfasst, verarbeitet und analysiert. Die Untersuchung befasst sich mit den komplexen Strömungseigenschaften im Ventil und deren Auswirkungen auf die Betriebsstabilität und zieht entsprechende Schlussfolgerungen. Schlüsselwörter: Mikrosensor; Regelventil; Experiment. Die Strömungseigenschaften von Regelventilen sind bereits umfassend untersucht worden, und die Erforschung ihrer Betriebsstabilität (z. B. das Auftreten von Vibrationen oder übermäßigen Geräuschen) ist ebenfalls von großer Bedeutung. Diese Arbeit untersucht experimentell den Einfluss des Strömungsfelds im Ventil auf dessen Betriebsstabilität. 1. Prüfsystem für Regelventile Der Regelventiltest wird unter verschiedenen Druckverhältnissen und relativen Hubbedingungen durchgeführt. Das Druckverhältnis ist definiert als: Dabei ist der nachgelagerte Druck und der vorgelagerte Druck. Der relative Hub ist definiert als: Dabei ist die Hubhöhe der Ventilspindel des Regelventils und der Passungsdurchmesser von Ventilscheibe und Ventilsitz. Um die komplexen Strömungseigenschaften, die durch die komplexe Struktur im Ventilkörper entstehen, umfassend zu verstehen, wurden an mehreren Schlüsselstellen dynamische Druckmesspunkte eingerichtet, darunter Ventileinlass, Ventildeckel, Ventilsitzverengung, Ventilsitzdiffusor und Ventilscheibenkopf. Durch die Messung der dynamischen Druckänderungen und der Schwingungseigenschaften der Ventilspindel an diesen Messpunkten und die Analyse der entsprechenden Ergebnisse lassen sich die Strömungseigenschaften im Ventil unter verschiedenen Betriebsbedingungen ableiten. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt; als Arbeitsmedium wird Luft verwendet. Um eine gute Gleichmäßigkeit des einströmenden Luftstroms zu gewährleisten, gelangt die Luft aus der Hochdruckluftquelle des Kompressors nach Durchlaufen des Diffusors, des Druckstabilisierungszylinders und des Konvergenzbereichs in das Regelventil. Der Luftstrom strömt durch den Ringkanal zwischen Ventilscheibe und Ventilsitz in den Ventilsitz und gelangt nach der Diffusion im Ventilsitzdiffusor in das Abgasrohr. Das Abgasrohr wird in den unterirdischen Abgasanschluss eingeführt und zur Geräuschreduzierung ins Freie geleitet. Ein- und Auslassrichtung der Luftströmung sind um 90° versetzt. Während des Experiments wurden spezielle Messrohrabschnitte und -instrumente für Gasdurchflussrate, statischen Druck und Temperatur verwendet. Die Messunsicherheiten des Testsystems betragen: dynamischer Druck 0,1 %, statischer Druck < 1 % und Durchflussrate 1,5 %. 2. Dynamischer Drucksensor und Datenerfassungssystem 2.1. Miniaturisierter dynamischer Drucksensor Um die Beeinträchtigung des Strömungsfelds im Regelventil durch Kontaktmessungen zu minimieren, wurde ein piezoresistiver miniaturisierter dynamischer Drucksensor der Firma Kulite Sensors, Inc. (USA) eingesetzt. Dieser Sensor integriert ein Silizium-Sensorelement und wird mittels Fotolithografie sehr klein gefertigt. Dies führt zu einer hohen Eigenfrequenz, geringer Hysterese, exzellenter thermischer und umweltbedingter Beständigkeit, überlegener statischer und dynamischer Leistung sowie hoher Langlebigkeit. Für den Test wurde der Sensor der Serie XCQ-062 ausgewählt. Die Abmessungen des Sensors sind: Durchmesser Φ1,6 mm, Länge 12 mm, Betriebstemperaturbereich -55 bis 204 °C, Eigenfrequenz 330 bis 500 kHz, Messgenauigkeit 0,1 % des Messbereichsendwertes. Die Messmedien sind nichtleitende, nicht korrosive Flüssigkeiten und Gase. Aufgrund der extrem geringen Größe des Sensors wurde eine spezielle Befestigungsvorrichtung für die einfache Montage und Demontage entwickelt und gefertigt (siehe Abbildung 2). Der Sensor wird mittels Drahtschneidtechnik mit Schrauben an der Hülsenwand befestigt. Die Befestigungsvorrichtung ist im Signalleitungsanschluss des Messsystems installiert und gewährleistet so Sicherheit und Zuverlässigkeit. Drucksensorkalibrierungsmethoden umfassen im Allgemeinen die statische und die dynamische Kalibrierung, wobei die statische Kalibrierung zuerst durchgeführt wird. Da die Bereitstellung standardisierter dynamischer Drücke jedoch schwierig ist, wird in der Regel weiterhin die statische Kalibrierung angewendet. Erfahrungsgemäß liefert die Messung dynamischer Drücke mit einem statisch kalibrierten Druckmesssystem ausreichend genaue Ergebnisse, sofern die Ansprechfrequenz des gesamten Druckmesssystems hoch genug ist. Das Experiment in dieser Arbeit verwendete zwei Sensoren mit Druckmessbereichen von 0–0,35 MPa und 0–0,17 MPa und einem Vollausschlag von 100 mV. Die Ergebnisse der statischen Kalibrierung der beiden Mikrosensoren sind in Abbildung 3 dargestellt. 2.2 Hochfrequentes dynamisches Datenerfassungssystem Das hochfrequente dynamische Erfassungs- und Analysesystem ermöglicht die parallele dynamische Mehrkanal-Datenerfassung und bietet Vorteile wie hohe Geschwindigkeit, große Kapazität und transiente Digitalisierung. Es handelt sich um ein leistungsstarkes, umfassendes Messsystem, das Messung, Analyse und Ergebnisausgabe integriert. Da jeder Kanal über einen eigenen A/D-Wandler und Puffer verfügt, verringert sich die maximale Abtastrate oder Speichertiefe durch die Kanalerweiterung nicht. Das System arbeitet im Prinzip in der Reihenfolge Erfassung-Verarbeitung-Erneute Erfassung-Erneute Verarbeitung. Es erreicht eine maximale Abtastrate von 1,25 MS/s und eine Abtastgenauigkeit von 12 Bit und ermöglicht so eine zeitnahe Reaktion auf Parameter und Änderungen der instationären Strömung im Ventil. 3. Dynamische Signalverarbeitung Die Strömung im Regelventil weist typische instationäre Eigenschaften auf. Dynamische Messungen ermöglichen die präzise und schnelle Bestimmung der Momentanwerte des internen Strömungsfeldes und seiner zeitlichen Veränderungen. Die Datenverarbeitung und -analyse bei dynamischen Prüfungen sind umfangreich, wobei Spektral- und Wellenformanalyse die wichtigsten und grundlegendsten Methoden darstellen. Spektral- und Wellenformanalyse sind sowohl unabhängig als auch eng miteinander verbunden und weisen deutliche Unterschiede auf, die mittels Fourier-Transformation ineinander überführt werden können. Spektral- und Wellenformanalyse haben sich zusammen mit Methoden der Zufallsdatenverarbeitung zu den gängigsten und effektivsten Methoden der Signalanalyse entwickelt und wurden in den in diesem Beitrag beschriebenen Experimenten eingesetzt. Das Spektralanalysesystem besteht aus einem Computer, einem Signalverstärker, einem Filter, einer Datenerfassungseinheit, einer Analysesoftware, einem Monitor und einem Drucker. Das Funktionsprinzip des Systems ist wie folgt: Nach dem Einwirken einer äußeren Kraft auf ein Objekt gerät dieses in freie Schwingung, deren Schwingungsform sich durch die Überlagerung von Schwingungsformen verschiedener Ordnungen der freien Schwingung ergibt. Vor diesem Hintergrund werden die Schwingungseigenschaften der Bauteile nach Einwirkung äußerer Kräfte mithilfe eines Computerdatenerfassungssystems in digitale Signale umgewandelt. Anschließend wird eine Spektralanalyse durchgeführt, um die harmonischen Frequenzen jeder Ordnung des Schwingungssignals und somit die Eigenfrequenzen der einzelnen Bauteilordnungen zu ermitteln. Unter Anregung durch instationäre Luftströmung erzeugt das Ventil entsprechende mechanische Schwingungen. Da sich die Schwingungsform des Regelventils hauptsächlich in der Schwingung der Ventilspindel und des Ventiltellers äußert, werden Spektral- und Korrelationsanalyse zur Verarbeitung des Schwingungssignals der Ventilspindel und des Ventiltellers im Experiment eingesetzt. 4. Schlussfolgerung : Durch die Kombination der Ergebnisse der experimentellen Datenverarbeitung mit der theoretischen Analyse lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: (1) Es wurde ein vollständiges experimentelles System zur Untersuchung der Betriebsstabilität des Regelventils entwickelt und eingesetzt. Im Experiment wurden Mikrosensoren direkt in den Ventilsitz, den Ventiltellerkopf und andere wichtige Teile des Ventilkörpers eingeführt. Ein hochfrequentes dynamisches Datenerfassungssystem wurde verwendet, um Messungen in verschiedenen Bereichen und Richtungen durchzuführen. Für die hochfrequenten dynamischen Druckmessdaten im Inneren des Ventils wurden Spektral- und Korrelationsanalyse zur Datenverarbeitung und -analyse eingesetzt. Diese Methoden sind einfach, praktisch und zuverlässig. (2) Die Schwingungen des Regelventils haben komplexe Ursachen und Erscheinungsformen, sind aber größtenteils untrennbar mit den Strömungsfeldcharakteristika verbunden. Die Ventilschwingungen hängen mit der Änderung des Strömungsmusters zusammen. Starke Pulsationen oder Oszillationen des Strömungsfelds erzeugen eine große Anregungskraft, die zu erzwungenen Schwingungen des Ventils führen kann. Stimmt die Pulsationsfrequenz mit der niederfrequenten Eigenfrequenz des Ventils überein, kann dies zu starken Resonanzen führen. (3) Eine große Pulsationsdruckamplitude im Strömungsfeld des Regelventils führt zwar nicht zwangsläufig zu Resonanzen, aber sie verursacht definitiv Instabilität. Die geeignetste und effektivste Methode zur Verbesserung des instabilen Zustands des Regelventils ist die Anpassung der Eigenfrequenz der Ventilspindel-Ventilscheiben-Kombination. (4) Eine Vergrößerung des Diffusionswinkels am Ventilsitz kann zwar die Durchflusskapazität des Regelventils verbessern, jedoch führt ein zu großer Winkel (mehr als 5°) zu einer starken Ablösung des Luftstroms an der Wand des Diffusionsabschnitts am Ventilsitz, was die Strömungsverluste erhöht und gleichzeitig die Pulsation des Strömungsfeldes deutlich verstärkt, wodurch die Instabilität des Ventils zunimmt.