水流量對球閥流量特性的影響

0水壓密封件的流量特性在壓力傳動器中，球形氣體是一種廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式。如換向閥、先導控制閥、插裝閥和閥配流式柱塞泵的配流閥等均可采用球閥形式。因為可以直接選用硬度高、耐腐蝕性好的陶瓷球作閥心,與耐蝕合金相比,能較好地抵御高壓下海水介質(zhì)的氣蝕、流體侵蝕及腐蝕磨損,且結(jié)構(gòu)簡單。因此陶瓷球閥在水壓傳動元件中有較大的實用價值。與礦物油相比,由于水的粘度低,水在球閥閥口中流動時的雷諾數(shù)較大,其流態(tài)及流量特性會產(chǎn)生根本的變化,傳統(tǒng)的油壓閥的設(shè)計理論對水壓球閥不再適用。國內(nèi)外對以水作介質(zhì)的錐閥和平板閥的流量特性已進行了試驗研究,所得出的試驗結(jié)論對水壓閥的設(shè)計有一定的指導意義。但對于水壓球閥的流量特性尚未見到有關(guān)的研究報道。對水壓球閥閥口的流量特性進行試驗研究,以掌握閥口的結(jié)構(gòu)參數(shù)與流量特性間的規(guī)律,為球閥閥口的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供試驗依據(jù)。1閥口開度測量圖1為研制的球閥閥口流量特性試驗裝置原理圖。閥口進、出口壓力分別由節(jié)流閥13和5調(diào)節(jié),并分別由壓力傳感器12和9測量。通過閥口的流量由流量傳感器4測量。位移傳感器7用于測量閥口開度。調(diào)節(jié)螺母8用于調(diào)節(jié)閥口開度。通過更換閥座11,便可對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的球閥閥口的流量特性進行試驗研究。2最大試驗壓力(1)試驗介質(zhì):自來水。(2)試驗溫度:20～30℃。(3)最大試驗壓力:3.5MPa。(5)試件幾何參數(shù):試驗采用19mm直徑的鋼球,球閥試件的結(jié)構(gòu)如圖2所示,閥座的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見下表。3流量—試驗結(jié)果及分析球閥流量系數(shù)按下式計算式中qv——球閥閥口流量Δp——球閥進、出口壓力差式中x——閥口開度dm=(d1+d2)/2對試件B,dm=d2球閥雷諾數(shù)可按下式計算式中v——水的運動粘度圖3、圖4、圖5為試件A、B、C、D分別在0.1mm、0.3mm和0.5mm的開度及出口無背壓條件下的流量系數(shù)—雷諾數(shù)(Cq—Re)特性曲線。從圖3～5中可以看出:(1)試件A(無倒角的銳緣閥座)在一定的開度下,隨雷諾數(shù)的增大,流量系數(shù)增大并趨于穩(wěn)定。隨開度增大,流量系數(shù)呈降低的趨勢。在小開度時,Cq≈0.55～0.65;當開度較大(x≥0.3mm)時,Cq≈0.5～0.6。(2)試件B(閥座為30°半錐角)因球與閥座的接觸線在閥座倒角的大徑上(與銳緣閥座類似),因而在開度一定時,其流量系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而增大(也與試件A類似)。與其他試件相比,試件B在所有開度下的流量系數(shù)較大。這是由于流體通過閥口時,流體的方向變化較小,射流收縮小,使流量系數(shù)Cq較大。(3)試件C(閥座為45°半錐角)的流量系數(shù)基本不隨開度和雷諾數(shù)的變化而變化,在所有開度和雷諾數(shù)變化范圍內(nèi),都有Cq≈0.9～1.0。(4)試件D(閥座為60°半錐角)在相同的雷諾數(shù)下流量系數(shù)Cq隨開度增大而減小,在0.1mm的小開度時的流量系數(shù)最大(Cq>1)。這是由于小開度時流體粘附于閥座上,壓力恢復較大,使流量系數(shù)較大;隨開度增大,流體不再附壁,使流量系數(shù)減小。在一定的開度下,隨雷諾數(shù)增大,由于射流收縮使流體粘附壁面的現(xiàn)象減弱或消失,并且收縮截面逐漸向下游推移,壓力恢復不夠(或沒有壓力恢復),使Cq下降并趨于穩(wěn)定。(5)試件E與試件C有相同的閥座倒角(45°),但其倒角長度較大,流體收縮后易于附壁,壓力恢復較大,因而幾乎在所有的開度條件和雷諾數(shù)下,試件E的流量系數(shù)都比試件C大。并且隨雷諾數(shù)和開度的變化,其流量系數(shù)的穩(wěn)定性不如試件C。圖6為試件C在x=0.1mm開度、進口壓力p1=3.0MPa時背壓對流量系數(shù)的影響。當出口無背壓時,產(chǎn)生的氣泡不易破裂,氣泡隨流體直接流入下游管路,因而流量系數(shù)較穩(wěn)定。當出口有背壓時,若背壓較高(此時壓差小,雷諾數(shù)較低),則流體產(chǎn)生的氣泡少或不易產(chǎn)生氣泡,此時流量系數(shù)比無背壓時高。當背壓較低時(此時壓差大,雷諾數(shù)較高),流體產(chǎn)生的氣泡多,并在背壓的作用下,氣泡易破裂,從而產(chǎn)生流量飽和現(xiàn)象,使流量系數(shù)顯著降低。圖7為試件A、B、C、D、E在0.1mm的開度、進口壓力p1=3.0MPa且有背壓條件下的流量—壓差特性曲線。從圖中可以看出,在有背壓的情況下,所有的試件都出現(xiàn)了流量飽和現(xiàn)象。試件A、B、C、D、E出現(xiàn)流量飽和時的壓差分別為:2.7MPa、2.5MPa、1.5MPa、1.3MPa、1.0MPa。說明有背壓時,隨倒角和倒角長度的增大,越容易出現(xiàn)流量飽和。在相同的開度下,當球閥出口無背壓時,所有的試件都沒有出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象,如圖8所示。從圖9和圖10可以看出,在0.3mm和0.5mm的開度下,試件D(閥座為60°半錐角)最易出現(xiàn)流量飽和。試件C和試件E在大開度條件下的流量—壓差特性比較吻合,說明倒角長度對流量—壓差特性基本無影響。4產(chǎn)品的流量特性從設(shè)計和應(yīng)用的角度出發(fā),希望閥口的流量系數(shù)基本恒定,并且閥口具有較好的流量一壓差特性。由試驗結(jié)果可得出下列結(jié)論。(1)閥座倒角和倒角長度對流量系數(shù)有較大影響。當閥座半錐角為45°、倒角長度不大于Rcosα/4時,球閥有較穩(wěn)定的流量系數(shù)(在所有試驗的開度和雷諾數(shù)變化范圍內(nèi),都有Cq≈0.9～1.0,且不易出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象。(2)當閥座半錐角較大(a=60°)時,閥口出現(xiàn)流量飽和的趨勢較明顯。(3)閥座倒角對閥口的流量—壓差特性的影響較大,而倒角長度對其影響較小。(4)