偏座型杠杆自由浮球式疏水阀设计计算

偏座型杠杆自由浮球式疏水阀设计计算原作者：宋学泳出处：【关键词】疏水阀,结构,参数,设计计算【论文摘要】论述了偏座型杠杆自由浮球式疏水阀的结构特点及工作原理，对浮球部件进行了受力分析和计算，给出了主要参数的确定及设计计算方法。P STYLE='TEXT-INDENT: 26'中图分类号：TQ0502文献标识码：B随着工业的发展和蒸汽应用的日益广泛，出现了压力高和用汽量大的蒸汽设备。疏水阀在蒸汽系统的正常运行、设备热效率的提高及节约能源等方面起重要作用，为满足高蒸汽压力和大排水能力的要求，我们参照国内外有关资料和样机，在较先进的偏座型自由浮球式疏水阀(以下简称原疏水阀)的基础上，运用杠杆增力原理，设计了偏座型杠杆自由浮球式疏水阀。1结构特点及工作原理偏座型杠杆自由浮球式疏水阀的结构见图1。阀座设置在阀体侧壁上，是偏座型。浮球以自由状态放在体腔内，固定在浮球上的阀杆安装在导向槽内，只防止浮球水平移动，其它方向均为自由状态，这是自由浮球式的特点。阀杆前端带有球型密封面的阀瓣与阀座口上部一直接触，构成以阀座口上边缘为支点，阀座口上边缘到浮球中心的距离为力臂的杠杆，这是杠杆的特点。其它结构均采用目前国内外最新疏水阀的先进结构。1.浮球2.阀座3.阀瓣4.导向槽5.阀杆6.阀体图1偏座型杠杆自由浮球式疏水阀在疏水阀启动前，阀瓣依靠压差和浮球部件的质量顶紧并密封阀座口，保持关阀状态，阻止蒸汽泄漏。当冷凝水流入阀腔内，液面上升到规定高度时，浮球受到向上的浮力，在杠杆的作用下，打开阀座口进行排水。由于阀腔内流动的液体压力分布不均匀，阀座口处最低，离阀座口越远压力越高，因此，这个不均衡的力推动浮球向阀座口靠拢，使阀瓣与阀座口上边缘一直接触。在排水过程中，根据流入阀腔内冷凝水的多少，浮球上浮的程度也随着变化，从而调整阀口的开度，持续进行排水。当液面下降到规定高度时，全部阀座口被阀瓣密封，体腔底部凸台也同时将浮球托住，疏水阀关闭，停止排水并阻止蒸汽溢出，从而实现阻汽排水作用2浮球部件受力分析及计算浮球部件受力分析见图2，浮球部件所受浮力F＝（Vf+V1）ρ水，浮球部件质量m＝mf+m1，蒸汽压力作用于浮球部件上的力Q＝(π／4)d2p。式中，Vf为浮球浸入水中的体积，V1为阀杆和阀瓣浸入水中的体积，cm3；mf为浮球质量，m1为阀杆和阀瓣质量，kg；d为阀座排水口直径，cm；p为蒸汽压力，Pa；ρ水为饱和冷凝水密度，kg/cm3。将浮力F和质量m分解成x-y坐标轴上的力，再分别计算x轴和y轴上的合力：fx=Q－（F－m）sinα∑fy=（F－m）cosα这2个合力分别以阀座口上边缘的b点为支点，形成使浮球浮动的转矩Mxb及Myb：Mxb=d/2∑fx=(d/2)[Q－（F－m）sinα]（1）Myb＝a∑fy=a（F－m）cosα（2）式中，a为b点到x轴的距离，a＝Lcosβ,L为b点到浮球中心Ｏ的距离，cm；β为Ｏb直线与x轴的夹角；α为阀座偏角，（°）。当Myb＞Mxb时，疏水阀处于开启状态；当Myb＜Mxb时，疏水阀处于关闭位置。3主要参数确定及计算（1）浮球直径参照日本TLV样机，确定浮球直径为50、68、90、120、160及220系列（公比为）,单位均为mm。根据蒸汽压力和排水量的要求，按上述系列选用浮球直径D。（2）浮球质量和壁厚浮球应有足够的质量，以保证疏水阀有一定高度的水封阻止蒸汽泄漏。因此，现实液面规定高度H必须大于阀座口上边缘的高度h（图2）。在H液位时，浮球自由飘浮在冷凝水中，浮球部件浸入冷凝水的体积所受浮力F与浮球部件质量m相等。即:F＝m（3）图2浮球部件受力分析由于阀杆和阀瓣的体积和质量很小，一般体积占总阀体积的3％左右、质量占10％左右，所以浮球自身的浮力必须为Ff＝0.97F，浮球自身的质量必须为mf＝0.9m，换算得F=Ff/0.97，m=mf/0.9，代入式（3），有mf＝0.924Ff。又Ff＝Vfρ水＝πH2×（D/2－H/3）ρ水，则：mf＝0.924πH2（D/2－H/3）ρ水（4）由式（4）求出浮球初算质量mf后，再由下式可求出浮球计算壁厚t。mf＝(π/6）［D3－（D－2t）3］ρ球（5）式中，H为规定的液面高度，D为浮球外径，cm(均由设计确定)；t为浮球壁厚，cm；ρ球为浮球材料密度，kg/cm3。根据计算壁厚，考虑实际情况确定浮球壁厚，再代入式（5），即可求出浮球质量。（3）浮球强度验算浮球承受蒸汽的外压力（内压为0）而产生压应力，为了保证浮球不被压皱压瘪，必须进行皱缩压力及压应力验算。根据弹性理论，对于薄壁球体，其弹性临界皱缩压力py按式（6）计算，且py＞p。（6）式中，K为浮球的不圆度系数，一般为0.25；E为弹性模量；μ为泊松比，钢材为0.3；η为厚度不均的安全裕度，一般为1.5～2；p为蒸汽压力。受外压球体的最大压应力应小于材料弹性限，其值为：（7）式中，D内为空心球体内径，cm。对薄壁球体，式（7）可化简为σymax＝pD/4t。（4）阀座排水口直径浮球处于平衡状态时，Mxb＝Myb，将式（1）～（2）代入，有：d/2［Q－（F－m）sinα］＝a（F－m）cosα（8）由式（8）可求出阀座排水口计算直径d，由于浮球直径和壁厚及排水口存在偏差，实际上应取计算值的90％～95％。（5）阀座偏角从式（2）可知，开阀转矩Myb与cosα成正比，也就是Myb与阀座偏角α成反比，故α不宜过大。从理论上讲，α趋于0°时，Myb最大，但为了形成水封，液面高度必须增高，随之浮球质量也增大，从而减小浮球的上升力（F－m）及Myb，所以α也不宜过小。确定α时，还必须考虑当疏水阀关闭时，阀座排水口上边缘b点不能超过浮球中心O，并应留有充足的裕量。试验证明，阀座偏角α最好为15°～25°。4结语①对原疏水阀，只能靠增大浮球直径来增加开阀力，这样疏水阀的体积和质量随之增大了。新型疏水阀开阀力显著增加，使用与原疏水阀相同直径的浮球，能得到更大的开阀力，可获得小型高性能的疏水阀。②原疏水阀的浮球是密封元件，制造精度要求很高。新型疏水阀的浮球不是密封元件，制造精度要求低。同时新型疏水阀只在原疏水阀的浮球上固定一件带阀瓣的阀杆，质量小，成本低，制造和安装与原疏水阀一样，简单方便。③在一定范围内，新疏水阀可代替其它疏水阀，应用更为广泛。文章编号：1000-7466(1999)06-0033-03作者简介：宋学波(1964-),男,黑龙江省宾县人,工程师,1986年毕业于甘肃工业大学化工机械专业,主要从事炬油化工机械及工艺设备的研究作者单位：兰州炬油化工总厂设备研究所,甘肃兰州730060参考文献［1］李诗久工程流体力学［M］北京：机械工业出版社，1980［2］机械工程手册编委会机械工程手册（第四卷）［M］北京：机械工业出版社，1982