空气阀结构及性能研究

2018-12-18 13:24廖志芳李志鹏李豪王东福朱慈东徐放王东辉
中国设备工程 2018年23期
关键词:阀瓣通流水锤

廖志芳,李志鹏,李豪,王东福,朱慈东,徐放,王东辉

(1.博纳斯威阀门股份有限公司,天津 301802;2.长沙理工大学,湖南 长沙 410114;3.长沙日丰机电科技有限公司,湖南 长沙 410007)

1 引言

空气阀的性能影响因素主要包括空气阀的直径、空气阀在输水管线上的布置方式,采用了缓冲阀瓣的改进型空气阀还包括缓冲阀瓣上小孔的通流面积与空气阀出口通流面积的比值(孔口面积比)。

为说明空气阀性能及参数,有关计算以以下工程为例:工程管线全长980m共分为两段,第一段为陡峭的上坡管线长570m,第二段为平缓管线长410m,连接点为一个“膝部点”高程为70m。输水管采用直接D=2.5m的钢制输水管,采用两台离心泵并联供水,将水从低位水池打到高位水池,其中低位水池高程0m,高位水池高程70m,离心泵额定流量为Q=7.33m3/s,设计扬程为H=79.2m,额定转矩M=168.7kg·m,额定转速N=375r/min,机组转动惯量GD2=981kg·m2。采用以下公式作为水锤波计算公式:

式中:K为流体的体积弹性模量,N/m2;D为管道管径,mm;E为管材的弹性模量,N/m2;ρ为流体的密度,kg/m3;e为管壁厚度,mm。

2 空气阀直径影响

空气阀的直径大小影响着进气与排气的能力,在标准CJ/T217《给水管道复合式高速进排气阀》中建议空气阀孔口直径取输水管径的1/8~1/5,但当输水管径较大时,建议的取值范围就明显的增大,会对输水工程产生一定程度的影响,尤其是事故工况时对水柱分离和水柱弥合的影响就更为明显。由于随着排气压差的逐渐变大,排气质量流量也呈现增大的趋势,直到增大到某一值时便不再增大。空气阀的直径也不宜取太大值,直径值越大反而会增加排气阶段的排气速度,以此造成水锤正压的升高。本文采用的带有缓冲阀瓣的空气阀而言,由于缓冲阀瓣的使用,减小了空气阀内部的通流面积,因此标准中的按输水管径的1/8~1/5取值也就不再合适,为此需要考虑缓冲阀瓣的影响,并且得到更加准确与合理的空气阀直径计算方法。

根据空气阀的工作原理,在管路压力低于大气压时吸入空气,尤其是管路压力下降至负压时需要及时吸入空气,防止管道塌陷,因此可根据压力降低时需要的进气量来计算出空气阀直径的最小值。本文根据管道直接水锤公式计算事故工况时压力的变化,直接水锤公式为:

式中:△H为压力变化值,米水柱;a为水锤波速,m/s;△Q为流量变化,m3/s;Ap为供水管道截面积,m2。

在事故工况掉电停泵,泵后某局部高点的最大压力下降为△H,在此点设置空气阀,随着泵后降压波传至此点时压力开始下降,当此点的压力下降至大气压力是开始进气。设补气后此点压力达到H0(一般为0,即不存在负压),结合直接水锤公式(2),可得到空气阀进气量与直径计算式:

式中:V为进气量,m3;L为空气阀与输水终点间的距离,m;Dvalve为空气阀直径,m;vin为允许进气流速,m/s。

在发生事故停泵后,通过式(2)、(3)、(4)可计算出,空气阀直径需要大于400mm,按照标准CJ/T217《给水管道复合式高速进排气阀》中建议空气阀孔口直径取输水管径的1/8~1/5,应为300mm至500mm,因此结合消除负压的情况考虑,空气阀直径可取范围为400~500mm。

为验证可取范围内的空气阀直径对水锤防护是否可靠安全,现取300mm、400mm、500mm、600mm四种直径的改进型空气阀进行水锤防护验算,孔口面积比都为u=0.1024,如图1所示为四个计算直径的进气流量曲线和排气流量曲线。

如图2所示,为改进型空气阀直径取300mm、400mm、500mm以及600mm情况下,空气阀处的压力随时间的变化曲线。

图1 不同直径的进气、排气流量曲线

从图2及表1中可以看出,当空气阀按标准CJ/T217《给水管道复合式高速进排气阀》中建议空气阀孔口直径取输水管径的1/8即300mm时,输水管线上安装空气阀处还存在有将近-28.84kPa(-2.8m水柱)的负压,而按照公式计算出的400mm作为空气阀直径后,负压情况符合标准GB50013-2006《室外给水设计规范》负压允许在-19.6kPa(-2m水柱)以内,但当空气阀直径取500mm与600mm时,虽然负压消除更加有效但水锤正压也在升高。因此,按照压力降低时需要的进气量来计算出改进型空气阀直径的最小值是安全有效的。

3 孔口面积比影响

图2 空气阀处压力变化曲线

表1 不同直径空气阀处最大负压

采用增大空气阀直径的方法可以有效增加空气阀在相同压差下的进气速度,进而有效地消除事故停泵时安装空气阀处的负压,但随着空气阀直径的增大,也同样会增加排气阶段的排气速度,因此从图2中可以看出水锤正压的升高与空气阀直径的增加是同步增大的。在传统型空气阀中加入孔口面积比为0.1024的缓冲阀瓣后,大大降低了正压压力的升高,对保护输水管线不受破坏起到了积极作用。因而可以考虑在计算出负压防护适宜的空气阀直径后,为减小随着直径增加而增大的排气速度,可以采用减小缓冲阀瓣的孔口面积比来减缓排气阶段的排气速度,从而有效抑制水锤正压的升高。

在直径为400mm的改进型空气阀基础上,通过改变缓冲阀瓣上通流小孔的面积大小来改变空气阀的孔口面积比,如图3所示。

图3 改进型空气阀结构示意图

图3中D1表示节流端面孔径,该孔径大小为D1=400mm,D2表示缓冲片上所有通流小孔的等效直径值。取缓冲阀瓣上升至节流端面后,缓冲阀瓣上小孔的通流面积与空气阀出口面积之比为u,其中计算公式(5)所示:

式中:Axiao为小孔排气面积即缓冲阀瓣小孔通流面积,m2;

Ada为大孔排气面积即空气阀出口面积,m2。

为了研究改进型空气阀u值大小对进排气特性的影响,分别取u=0.2、0.15、0.1024、0.05,共4组不同孔口面积比的缓冲片结构。缓冲片具体物性参数如表2所示,示意图如图4所示,表2中等效通流孔径为缓冲阀瓣上升至节流端面后,通流面积等效孔径。

图4 不同孔口面积比阀瓣示意图

表2 缓冲片下置结构参数

如图5所示,为u=0.2、0.15、0.1、0.05在不同压差下的流量曲线图,从图中可以看出,在进气阶段虽然采用了不同的孔口面积比,但由于是相同的空气阀直径在不同压差下的进气速度近乎相同,出现明显的区别是在排气阶段,因为采用了不同的孔口面积比,在缓冲阀瓣上升后,导致流道的通流面积发生改变。因此在相同压差的情况下,随着孔口面积比的增大和减小,排气速度随之变的快速和缓慢。

图5 不同孔口面积比的进气、排气流量曲线

图6 空气阀处压力变化曲线

表3 不同孔口面积空气阀处最大负压

如图6所示,为改进型空气阀直径取400mm,缓冲阀瓣的孔口面积比取0.2、0.15、0.1、0.05的情况下,空气阀处的压力随时间的变化曲线。

从图6及表3中可以看出负压都在允许范围内,在保持直径不变的情况下,随着改进型空气阀孔口面积比的减小,发生事故停泵时空气阀处的最大正压越来越小,并且在相同的时间范围内,空气阀处压力变化的震荡次数也越来越少。但当u=0.05时的最大压力大于u=0.1024时的最大压力,可能因为缓冲阀瓣上排气孔减少使缓冲阀瓣重量增加,以至于在排气时缓冲阀瓣上升不及时导致前期排气较快,因而引发了较大升压。因此在标准允许的压力范围内,合理地选择孔口面积比,对于事故停泵时水锤正压的防护有着积极作用。

4 结语

在传统型式空气阀的基础上加入缓冲阀瓣可以有效减缓空气阀在排气阶段的排气速度,缓冲阀瓣的加入使空气阀具有了“快进气慢排气”的特性。

空气阀的直径可根据停泵情况下负压消除需要的进气量来进行选择,直径大于此计算值时可使负压在安全范围内,随着选用直径的增大,虽然可以进一步减小负压,但同时也会因为增加了排气速度而导致水锤正压的升高。在保持直径不变的情况下,随着空气阀孔口面积比取值的减小,空气阀处的最大正压越来越小,并且在相同的时间范围内,空气阀处压力变化的震荡次数也越来越少。

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