不锈钢球阀

球阀阀口流量特性的试验研究

2019-02-15

介绍了 球阀 阀口流量特性试验装置,对水压球阀在不同结构参数下的流量特性进行了试验研究。试验表明,当阀座半锥角为45、倒角长度不大于Rcosa/4时,在所有试验的开度和雷诺数变化范围内,球阀有较稳定的流量系数(cq0.9~1.O),且不易出现流量饱和现象:阀

    介绍了球阀阀口流量特性试验装置,对水压球阀在不同结构参数下的流量特性进行了试验研究。试验表明,当阀座半锥角为45°、倒角长度不大于Rcosa/4时,在所有试验的开度和雷诺数变化范围内,球阀有较稳定的流量系数(cq≈0.9~1.O),且不易出现流量饱和现象:阀座倒角对阀口的流量一压差特性的影响较大,而倒角长度对其影响较小。
0  前言
    在水压传动元件中,球阀是一种应用很广泛的结构形式。如换向阀、先导控制阀、插装阀和阀配流式柱塞泵的配流阀等均可采用球阀形式。因为可以直接选用硬度高、耐腐蚀性好的陶瓷球作阀心,与耐蚀合金相比,能较好地抵御高压下海水介质的气蚀、流体侵蚀及腐蚀磨损,且结构简单。因此陶瓷球阀在水压传动元件中有较大的实用价值。与矿物油相比,由于水的粘度低,水在球阀阀口中流动时的雷诺数较大,其流态及流量特性会产生根本的变化,传统的油压阀的设计理论对水压球阀不再适用。国内外对以水作介质的锥阀和平板阀的流量特性已进行了试验研究,所得出的试验结论对水压阀的设计有一定的指导意义。但对于水压球阀的流量特性尚未见到有关的研究报道。
    对水压球阀阀口的流量特性进行试验研究,以掌握阀口的结构参数与流量特性间的规律,为球阀阀口的结构设计提供试验依据。
1  球阀阀口流量特性的试验装置
    图1为研制的球阀阀口流量特性试验装置原理图。阀口进、出口压力分别由节流阀13和5调节,并分别由压力传感器12和9测量。通过阀口的流量由流量传感器4测量。位移传感器7用于测量阀口开度。调节螺母8用于调节阀口开度。通过更换阀座11,便可对不同结构参数的球阀阀口的流量特性进行试验研究。
图1球阀阀口流量特性试验装置原理图
    图1球阀阀口流量特性试验装置原理图
2  试验条件
    (1)试验介质:自来水。
    (2)试验温度:20~30℃。
    (3)最大试验压力:3.5 MPa。
    (4)流量:0~50 L/min。
    (5)试件几何参数:试验采用19 mm直径的钢球,球阀试件的结构如图2所示,阀座的主要结构参数见下表。
表球阀阀座的主要结构参数
    表 球阀阀座的主要结构参数
图2球阀试件的结构
    图2球阀试件的结构
3  试验结果及分析
    图3、图4、图5为试件A、B、C、D分别在0.1 mm、0.3 mm和0.5 mm的开度及出口无背压条件下的流量系数一雷诺数(Cq-Re)特性曲线。从图3—5中可以看出:
    (1)试件A(无倒角的锐缘阀座)在一定的开度下,随雷诺数的增大,流量系数增大并趋于稳定。随开度增大,流量系数呈降低的趋势。在小开度时,Cq~0.55~0.65;当开度较大@≥0.3 mm)时,cq≈0.5~0.6。
    (2)试件B(阀座为30。半锥角)因球与阀座的接触线在阀座倒角的大径上(与锐缘阀座类似),因而在开度一定时,其流量系数随雷诺数增大而增大(也与试件A类似)。与其他试件相比,试件B在所有开度下的流量系数较大。这是由于流体通过阀口时,流体的方向变化较小,射流收缩小,使流量系数Cq较大。
图3  x=0.1 mm、无背压时球阀的Cq_—Re特性曲线
    图3  x=0.1 mm、无背压时球阀的Cq_—Re特性曲线
图4  x=0.3 mm、无背压时球阀的(q—Re特性曲线
    图4  x=0.3 mm、无背压时球阀的(q—Re特性曲线
图5  x=0.5 mm、无背压时球阀的Cq-Re特性曲线
    图5  x=0.5 mm、无背压时球阀的Cq-Re特性曲线
    (3)试件C(阀座为45。半锥角)的流量系数基本不随开度和雷诺数的变化而变化,在所有开度和雷诺数变化范围内,都有Cq≈0.9-- 1.0。
    (4)试件D(阀座为60。半锥角)在相同的雷诺数下流量系数Cq随开度增大而减小,在0.1 mm的小开度时的流量系数最大(Cq>1)。这是由于小开度时流体粘附于阀座上,压力恢复较大,使流量系数较大:随开度增大,流体不再附壁,使流量系数减小。在一定的开度下,随雷诺数增大,由于射流收缩使流体粘附壁面的现象减弱或消失,并且收缩截面逐渐向下游推移,压力恢复不够(或没有压力恢复),使Cq下降并趋于稳定。
    (5)试件E与试件C有相同的阀座倒角(45°),但其倒角长度较大,流体收缩后易于附壁,压力恢复较大,因而几乎在所有的开度条件和雷诺数下,试件E的流量系数都比试件C大。并且随雷诺数和开度的变化,其流量系数的稳定性不如试件C。
    图6为试件C在x=0.1 mm开度、进口压力pl-3.0 MPa时背压对流量系数的影响。当出口无背压时,产生的气泡不易破裂,气泡随流体直接流入下游管路,因而流量系数较稳定。当出口有背压时,若背压较高(此时压差小,雷诺数较低),则流体产生的气泡少或不易产生气泡,此时流量系数比无背压时高。当背压较低时(此时压差大,雷诺数较高),流体产生的气泡多,并在背压的作用下,气泡易破裂,从而产生流量饱和现象,使流量系数显著降低。
图6试件C在x=0.1 mm开度时背压对流量系数的影响
    图6试件C在x=0.1 mm开度时背压对流量系数的影响
    图7为试件A、B、C、D、E在0.1 mm的开度、进口压力Pi=3.0 MPa且有背压条件下的流量一压差特性曲线。从图中可以看出,在有背压的情况下,所有的试件都出现了流量饱和现象。试件A、B、C、D、E出现流量饱和时的压差分别为:2.7 MPa、2.5MPa、1.5 MPa、1.3 MPa、1.0 MPa。说明有背压时,随倒角和倒角长度的增大,越容易出现流量饱和。在相同的开度下,当球阀出口无背压时,所有的试件都没有出现流量饱和现象,如图8所示。
图7 x=0.1mm、有背压时球阀的qwAp特性曲线
    图7 x=0.1mm、有背压时球阀的qwAp特性曲线
图8   x=0.1 mm、无背压时球阀的qv-Ap特性曲线
    图8   x=0.1 mm、无背压时球阀的qv-Ap特性曲线
    从图9和图10可以看出,在0.3 mm和0.5 mm的开度下,试件D(阀座为60。半锥角)最易出现流量饱和。试件C和试件E在大开度条件下的流量一压差特性比较吻合,说明倒角长度对流量一压差特性基本无影响。
图9  x=0,3 mm、无背压时球阀的qv-Ap特性曲线
    图9  x=0,3 mm、无背压时球阀的qv-Ap特性曲线
图10  x=0.5 mm、无背压时球阀的qwAp特性曲线
    图10  x=0.5 mm、无背压时球阀的qwAp特性曲线
4  结论
    从设计和应用的角度出发,希望阀口的流量系数基本恒定,并且阀口具有较好的流量一压差特性。由试验结果可得出下列结论。
    (1)阀座倒角和倒角长度对流量系数有较大影响。当阀座半锥角为45°、倒角长度不大于Rcos a/4时,球阀有较稳定的流量系数(在所有试验的开度和雷诺数变化范围内,都有Cq~0.9~1.0,且不易出现流量饱和现象。
    (2)当阀座半锥角较大(a =60°)时,阀口出现流量饱和的趋势较明显。
    (3)阀座倒角对阀口的流量一压差特性的影响较大,而倒角长度对其影响较小。
    (4)当阀口有背压时,阀座倒角和倒角长度越大,越易出现流量饱和现象。
    (5)当阀口有背压且背压较低时,由于比无背压时气泡更易破裂,因而易产生流量饱和现象。