上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)(集團)有限公司
摘要:針對球閥中液流流動(dòng)情況提出了計算球閥收縮系數 μ 的簡(jiǎn)化模型及流量系數計算方法,并進(jìn)行了實(shí)驗分析。
關(guān)鍵詞:球閥;收縮系數μ;流量系數;模型
1 前言
球閥由于密封性好、無(wú)滯后現象、工作壓力高、對污染不敏感、制造簡(jiǎn)單、故障少,近來(lái)受到人們的青睞,廣泛應用在各種液壓系統中。
球閥就其性能評價(jià)指標而言,壓力流量特性無(wú)疑是衡量其工作特性的一個(gè)重要指標。球閥出流流量與進(jìn)出口壓差關(guān)系可用下式表征:
式中:C——流量系數;Ax——閥口過(guò)流面積;△P——閥進(jìn)出口壓差;ρ——流體密度。
從式(1)中可以看出,在流動(dòng)介質(zhì)確定的情況下,Q 與 △P 的關(guān)系取決于 C 與 A。A 可由閥門(mén)結構幾何特性決定。C 是一個(gè)十分復雜的量,它與液流流動(dòng)狀態(tài)、閥的幾何結構等因素有關(guān),它的確定大多數依賴(lài)于實(shí)驗方法。目前還沒(méi)有計算球閥流量系數的理論計算式和通用的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式,這給球閥的設計與應用帶來(lái)很大不便。為了填補這方而欠缺,從液流流動(dòng)機理出發(fā),提出球閥流量系數計算簡(jiǎn)化模型就顯得尤為重要。
2 流量系數的確定
流量系數的大小實(shí)際上反映了孔口出流時(shí)阻力的損失及過(guò)流斷而的減少對出流流量的綜合影響,可用下式表示:
式中:φ——流體出流流速系數;μ——收縮系數。
(1) 流速系數的計算
根據文獻《流體力學(xué)及流體機械》,可得下式:
式中:ξ——局部阻力系數
圖 1 球閥結構
對于圖 1 情況,根據文獻《機械設計手冊(第四卷)》:
式中:A——入口截面積
它們的計算公式如下:
式中:d——閥座孔直徑;x——閥芯升高量;R——鋼球直徑。
因此,流速系數可按下式計算:
(2) 收縮系數 μ 的計算簡(jiǎn)化模型
如圖 1 所示,液流經(jīng)過(guò)閥座與鋼球之間間隙流出,由附面層理論可知,出流在鋼球迎面前半球面不可能發(fā)生分離現象,而在閥座 A 點(diǎn)有可能出現分離或流線(xiàn)改變方向引起過(guò)流斷面收縮。從這個(gè)機理出發(fā),可把流經(jīng)閥口縫隙的流動(dòng)分成兩部分,一部分沿過(guò)道壁流動(dòng),另一部分沿鋼球壁而流動(dòng)。沿過(guò)道壁而流動(dòng)的流體,由于壁面形狀改變出現尖角,引起流線(xiàn)方向的突然改變,在閥座邊緣側出現流體過(guò)流斷面的收縮,而沿鋼球一側的流動(dòng)不會(huì )出現收縮現象。因此流經(jīng)鋼球與閥座之間的流動(dòng)實(shí)際上是外側收縮內側不收縮的環(huán)形流。由于環(huán)形縫隙流縫隙相對很小,根據縫隙流理論,它可以展開(kāi)成兩平板間縫隙流。再由于其存在外側面收縮現象,因此可以簡(jiǎn)化成如圖 2 所示的無(wú)底坎閘孔出流流動(dòng)模型,對應尺寸如圖 2。
圖 2 球閥內液流簡(jiǎn)化模型
其環(huán)形流外側收縮系數可按閘孔出流情況計算選取。
閘口流收縮系數 μ 可用儒可夫斯基理論分析方法求值,如表 1 所示。
因此流量系數 C 可根據式(5)與表 1 計算。
2x/d | 0.10 | 0.20 | 0.30 | 0.35 | 0.40 | 0.45 | 0.50 | 0.55 | 0.60 | 0.65 | 0.70 | 0.75 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
μ | 0.615 | 0.620 | 0.625 | 0.628 | 0.630 | 0.638 | 0.645 | 0.650 | 0.660 | 0.675 | 0.690 | 0.705 |
3 實(shí)驗研究
嚴格地講,球閥流量系數 C 與雷諾數 Re(Re=Q/4dv)有密切關(guān)系,C 隨 Re 的變化可以寫(xiě)成如下關(guān)系式:
式中:K、n 為系數、指數,與閥結構形狀等有關(guān)。
研究表明,Re 存在臨界值 Rec,并且 Re 隨比值 d/(2R) 增大而變大。當 Re 超過(guò) Rec 后,C 不隨 Re 變化,而趨于常數。一般來(lái)講 Rec 往往很小,而球閥在正常工作時(shí) Re 遠大于 Rec。因此可以認為在工作狀態(tài)下,C 是常數。
為了驗證模型的有效性及 Rec 與閥的幾何尺寸關(guān)系,我們對不同幾何參數的球閥進(jìn)行了實(shí)驗研究得出,在 Re 大于 Rec 后,模型的計算結果與實(shí)驗結果吻合良好。
4 結論
(1) 球閥流量系數在很小范圍內隨 Re 變化,Re 存在臨界值 Rec,當 Re > Rec時(shí),C 趨于常數。
(2) 在 Re > Rec 時(shí),木文模型計算結果與實(shí)驗值吻合良好,因此可用該模型計算球閥流量系數。