邢 影，楊 銳

（北京航天動(dòng)力研究所，北京 100176）

?

旋轉(zhuǎn)球閥式泵保護(hù)閥設(shè)計(jì)與計(jì)算

邢 影，楊 銳

（北京航天動(dòng)力研究所，北京 100176）

摘 要：介紹了一種旁路由旋轉(zhuǎn)球閥和多級(jí)節(jié)流孔板組成的新型泵保護(hù)閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算，該泵在旁路為極小流量時(shí)可有效替代常規(guī)高壓泵保護(hù)閥中的多級(jí)節(jié)流串結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程中的應(yīng)用證明，能有效地保證泵在最小流量時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：泵保護(hù)閥；旋轉(zhuǎn)球閥；節(jié)流孔板

泵保護(hù)閥安裝于離心泵出口，當(dāng)泵在低負(fù)荷工作時(shí)，旁通閥打開以保證流過泵的最小需求流量，提高泵的效率，減少泵的故障［1］。泵保護(hù)閥具有流量感知、止回、旁通控制和多級(jí)降壓等功能，調(diào)節(jié)平緩，減少了突然降壓帶來的汽蝕，減少了泄漏，能經(jīng)濟(jì)有效地保證離心泵系統(tǒng)的正常工作，如圖1所示。

圖1 泵保護(hù)閥系統(tǒng)

常規(guī)高壓泵保護(hù)閥旁路通常為帶有多級(jí)減壓機(jī)構(gòu)的節(jié)流串，見圖2。當(dāng)主路關(guān)閉，旁路打開時(shí)，控制器蓋和渦旋塞、渦旋襯套形成一個(gè)高壓區(qū)，而活塞和渦旋塞形成一部分低壓區(qū)，減壓襯套因左右受力不平衡，拉動(dòng)鎖緊螺母和渦旋塞向左運(yùn)動(dòng)，旁路打開，渦旋襯套和渦旋塞形成逐級(jí)減壓環(huán)面積，將介質(zhì)壓力降低。當(dāng)主路打開時(shí)，止回閥帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸向上抬起，轉(zhuǎn)軸推動(dòng)活塞、減壓襯套向右運(yùn)動(dòng)，鎖緊螺母和渦旋塞不再受減壓襯套的拉動(dòng)，在介質(zhì)力作用下向右動(dòng)作，直到最終關(guān)閉旁路出口。旁路渦旋塞受結(jié)構(gòu)及密封圈的限制，行程變化很小，節(jié)流環(huán)面積變化很大，這樣的結(jié)構(gòu)在小流量旁路壓差很大的情況下很難調(diào)節(jié)，會(huì)出現(xiàn)震顫、噪聲等情況；另外，常規(guī)的多級(jí)減壓節(jié)流串需要有一定的推力來克服密封圈及部件間的摩擦力才能使旁路打開。因此，在流量小、活塞運(yùn)動(dòng)行程很短的情況下，常常發(fā)生旁路打不開或減壓不足造成汽蝕的情況，影響系統(tǒng)的正常工作［2］。

圖2 多級(jí)節(jié)流串式保護(hù)閥旁路結(jié)構(gòu)示意

1 多級(jí)孔板減壓式泵保護(hù)閥設(shè)計(jì)

本文所研究的孔板式泵保護(hù)閥旁路由旋轉(zhuǎn)球閥和多級(jí)節(jié)流孔板組成，解決了節(jié)流串對(duì)流量的限制，保證泵在最小流量時(shí)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)泵的有效保護(hù)。這樣的結(jié)構(gòu)和常規(guī)的多級(jí)減壓節(jié)流串一樣具有能止回、敏感工藝流量、防止介質(zhì)倒流、多級(jí)減壓、有效防止“水錘”［3］、汽蝕等特點(diǎn)。

多級(jí)孔板減壓式泵保護(hù)閥結(jié)構(gòu)見圖3。當(dāng)泵啟動(dòng)時(shí)，泵保護(hù)閥下游流量控制閥關(guān)閉，主路止回閥在彈簧壓力及止回閥自重的作用下，處于關(guān)閉狀態(tài)，閥桿伸入的旋轉(zhuǎn)球閥處于全開位置，保證泵的最小回流。當(dāng)主路下游流量控制閥逐漸打開，主路流量增加時(shí)，止回閥在介質(zhì)力作用下，克服彈簧力和止回閥自重而逐漸打開，旋轉(zhuǎn)球閥旋轉(zhuǎn)，過流孔逐漸被閥頭遮擋使再循環(huán)流量逐漸減少。當(dāng)泵正常工作時(shí)，主路液壓將止回閥完全打開，旋轉(zhuǎn)球閥完全被閥頭關(guān)閉，再循環(huán)系統(tǒng)完全被切斷。當(dāng)工況改變或異常時(shí)，隨著主路液體壓力的變化，止回閥處于不同的位置，也就調(diào)節(jié)了旋轉(zhuǎn)球閥處于不同的位置，使之滿足離心泵的最小流量。當(dāng)泵停止運(yùn)行時(shí)，主路止回閥所受壓力下降，在彈簧力及自重作用下關(guān)閉，旁路旋轉(zhuǎn)球閥開度逐漸增加，直到全開，旁通流量滿足泵的最小流量，同時(shí)多級(jí)孔板多級(jí)降壓將介質(zhì)壓力減到背壓。

其中旋轉(zhuǎn)球閥是泵保護(hù)閥技術(shù)中主路和旁路切換的關(guān)鍵設(shè)備，旋轉(zhuǎn)球閥通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)主路與旁路之間的切換。旋轉(zhuǎn)球閥孔板為偏心設(shè)計(jì)。止回閥開啟時(shí)，閥桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)球閥順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)球閥出口被閥頭遮擋住，阻止了液體進(jìn)入旁路。主路止回閥逐漸關(guān)閉，閥桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)球閥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)球閥出口正對(duì)閥頭孔板時(shí)，打開旁路出口。此時(shí)介質(zhì)通過旋轉(zhuǎn)球閥實(shí)現(xiàn)從主路向旁路轉(zhuǎn)換。旁路關(guān)閉時(shí)旋轉(zhuǎn)球閥位置局部示意見圖4，旁路全開的位置示意見圖5，旋轉(zhuǎn)球閥的旋轉(zhuǎn)角度由最小流量時(shí)止回閥的開高確定；旋轉(zhuǎn)球閥孔板孔徑的大小和個(gè)數(shù)可以根據(jù)流量的大小設(shè)定，沒有最小流量的限制；旋轉(zhuǎn)球閥運(yùn)動(dòng)過程中只有閥桿和旋轉(zhuǎn)球閥聯(lián)動(dòng)的部件，因此運(yùn)動(dòng)所受的摩擦力也很小。

圖3 多級(jí)孔板式泵保護(hù)閥結(jié)構(gòu)示意

圖4 旋轉(zhuǎn)球閥關(guān)閉位置

圖5 旋轉(zhuǎn)球閥打開位置

2 多級(jí)孔板減壓式泵保護(hù)閥設(shè)計(jì)

2.1 止回閥開高設(shè)計(jì)

在泵保護(hù)閥的靜態(tài)特性計(jì)算中［4］，略去止回閥和導(dǎo)桿螺套、閥桿的摩擦阻力，止回閥的受力F方程式為：

式中：Fs為止回閥前后壓差引起的不平衡力，為止回閥上下面壓差；S為止回閥不平衡力面積，m2；F1為彈簧力；G為止回閥重力，N。其中止回閥開高H由簾面積和主路壓降ΔP確定，見圖6。

圖6 升力計(jì)算示意

式中，H為止回閥開高。

其中，ΔP為主路壓降，MPa；ρ為密度，kg/m3；ξ為1.7。

令S=SL，解出開高H。

2.2 孔板設(shè)計(jì)

泵保護(hù)閥旁路實(shí)現(xiàn)回流減壓，使介質(zhì)從泵出口高壓降到泵入口壓力，保護(hù)工藝設(shè)備。本文旁路減壓是通過多級(jí)節(jié)流孔板來實(shí)現(xiàn)的，而在設(shè)計(jì)孔板過程中孔板的級(jí)數(shù)、大小以及孔板的厚度是關(guān)鍵。

在孔板節(jié)流處的壓力P0降到對(duì)應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓力Ps0以下，流體中將會(huì)有蒸汽以氣體的形式逸出，即產(chǎn)生空化現(xiàn)象?？栈前l(fā)生在液體內(nèi)部的汽化現(xiàn)象，是在溫度一定的情況下由于壓力的降低而引起的液體汽化現(xiàn)象。多級(jí)孔板的設(shè)計(jì)考慮了空化，要求在孔板節(jié)流處的壓力P0＞Ps0，換言之，孔板前后壓差不能過大以防止氣蝕對(duì)閥體部件的破壞，減少噪音的產(chǎn)生。隨著孔板前后壓差ΔP的增加，在節(jié)流點(diǎn)剛好發(fā)生空化現(xiàn)象，這時(shí)流速不再隨ΔP增加而增加，稱此時(shí)ΔP為阻塞壓差，記作ΔPS。

其中：

式中：P1，P2為孔板進(jìn)出口壓力，MPa；Pc為水的熱力學(xué)臨界壓力，取22.5 MPa；FL為液體壓力恢復(fù)系數(shù)，取0.9；Ff為臨界壓力比系數(shù)。

由此可知，當(dāng)壓差要求較大時(shí)，采用一級(jí)節(jié)流是不可能的，這時(shí)就需要采用多級(jí)節(jié)流孔板，一般認(rèn)為第一級(jí)孔板的設(shè)計(jì)壓差應(yīng)小于阻塞壓差，其壓差的大小取決于第二級(jí)孔板，多級(jí)孔板的壓降按幾何級(jí)數(shù)遞減。

其中：

孔板孔徑的計(jì)算［5］：

式中：dk為節(jié)流孔板孔徑，mm；G為通過孔板的流量，t/h；ρ為水的密度，kg/m3；Δp為孔板前后壓差，MPa。

孔板的厚度計(jì)算：

式中：p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；δ［］t為鋼材設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；sc為孔板厚度，mm。

2.3 流場(chǎng)數(shù)值模擬

此計(jì)算中實(shí)體造型采用SOLIDWORKS，采用的計(jì)算軟件為Fluent，采用層流和紊流模型，不可壓縮，定常流，不考慮重力，內(nèi)部流，墻為絕熱墻，忽略表面粗糙度的影響。網(wǎng)格由Fluent網(wǎng)格生成器自動(dòng)生成。圖7和圖8為最大流量即主路全開時(shí)，主路的壓力和速度分布；圖9和圖10為最小流量即旁路全開時(shí)，旁路的壓力和速度分布。Fluent能較好模擬閥門內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能較好地吻合。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文所研究的新型泵保護(hù)閥在工程實(shí)際中已經(jīng)得到應(yīng)用，某化肥項(xiàng)目鍋爐給水泵的最大流量為10 m3/h，最小流量為2 m3/h，關(guān)閉壓力4.86 MPa，最小流量時(shí)的壓力4.808 MPa，旁路背壓0.5 m3/h。圖11為某項(xiàng)目交付的產(chǎn)品出廠前的實(shí)驗(yàn)曲線，由圖可見，在泵剛剛啟動(dòng)時(shí)，主路流量為0，隨著主路流量逐漸增加，旁路流量由2.5 m3/h逐漸減小直到為0，在主路流量為4.4 m3/h的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)了切換，能保證泵的最小流量為2 m3/h；隨著主路流量的增加，主路壓降不斷降低，各項(xiàng)性能均能滿足需求。

圖7 主路全開時(shí)主路壓力云圖

圖8 主路全開時(shí)主路速度云圖

圖9 旁路全開時(shí)主路壓力云圖

圖10 旁路全開時(shí)主路速度云圖

圖11 實(shí)驗(yàn)曲線

3 多級(jí)孔板式優(yōu)勢(shì)

對(duì)旋轉(zhuǎn)球閥與多級(jí)減壓節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的改進(jìn)和創(chuàng)新，具體措施如下。

（1）采用旋轉(zhuǎn)球閥設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)主路與旁路之間的切換。旋轉(zhuǎn)球閥運(yùn)動(dòng)過程中只有閥桿和旋轉(zhuǎn)球閥聯(lián)動(dòng)的部件運(yùn)動(dòng)，其所受摩擦力非常小，保證了主路和旁路的順利切換。

（2）采用全金屬密封，適用高溫、低溫介質(zhì)，拓寬了泵保護(hù)閥應(yīng)用范圍。而常規(guī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要用GLYD圈、O形圈等非金屬材料密封，對(duì)溫度和介質(zhì)有一定的限制，在溫度超過200℃或低于-60℃時(shí)就很難選到非金屬密封圈。

（3）采用了多級(jí)節(jié)流孔板實(shí)現(xiàn)旁路減壓，根據(jù)設(shè)計(jì)流量對(duì)所需的孔板級(jí)數(shù)、大小以及厚度進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，滿足了“小流量、大壓差”的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了新型泵保護(hù)閥應(yīng)用的設(shè)計(jì)與計(jì)算，對(duì)新型泵保護(hù)閥應(yīng)用的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。多級(jí)孔板式泵保護(hù)閥是今后泵保護(hù)閥發(fā)展的重要方向之一，被廣泛應(yīng)用于電廠、核電以及石油與液化氣領(lǐng)域，具有良好市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳振明，靡若虛.離心泵手冊(cè)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1987.

［2］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.1998.

［3］王學(xué)芳，葉宏開，湯榮鳴，等.工業(yè)管道中的水錘［M］.北京：科學(xué)出版社，1995.

［4］方本孝，鄭慶倫，王渭.高性能止回閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析研究［J］.流體機(jī)械，1998，26（4）：10-14.

［5］張寶峰.多級(jí)節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.西北電力技術(shù)，2005，32 （5）：32-33，35.

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.006 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.006

中圖分類號(hào)：TH38

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-8901（2016）03-0019-04

作者簡(jiǎn)介：邢影（1981年-），女，吉林長(zhǎng)春人，2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事閥門技術(shù)支持與銷售等工作。

收稿日期：2016-01-19

Design and Calculation of Rotary Ball Valve for Pump Protection

XING Ying，YANG Rui
（Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100176 China）

Abstract：This paper introduces the design and calculation of a new type of valve for pump protection，whose bypass consists of rotary ball valve and multistage throttling orifice，which can effectively replace multistage throttling plug of ordinary valve for high pressure pump protection when the bypass is at minimum flow service.It has been proved to assure pump's normal operation in practical application at minimum flow service.

Keywords：valve for pump protection；rotary ball valve；multistage throttling orifice