自力式液位控制阀关阀时间模型及计算.pdf

文章编号 100225855 2008 0220010202 作者简介张世富1965 - ,男,湖北松滋市人,副教授,主要从事油气输送、加注技术与装备研究。 自力式液位控制阀关阀时间模型及计算 张世富,朱金鹏,张起欣,刘雄辉 解放军后勤工程学院,重庆400016 摘要 介绍了自力式液位控制装置的工作原理和性能。通过建立关阀时间的数学模型,编制 计算程序求解了关阀时间。 关键词 自力式;差动控制阀;关阀时间 中图分类号 TP23 文献标识码 A The mathematical model and calculation of closing time for self2acting fluid level control valve ZHANG Shi2fu , ZHU Jin2peng , ZHANG Qi2xin , LIU Xiong2hui Dept. of Logistical Engineering University , Chongqing 400016 , China Abstract The self2acting fluid level control equipment is independent of any exterior drive and adopt2 ed a mechanical structure , has a good control in closing time for valve and could lighten water hammer pressure.In this paper , the authors calculated the closing time by establish mathematical model and using computing program. Key words automatic; differential control valve ; closing time for valve 符 号 说 明 Q 环形间隙内的流体流量, m3/ h L 环形间隙的长度, m ΔP 作用在L范围内的压差, MPa μ 流体的动力粘度, Pas r1,r2 表示层流断面的半径,分别为d1,d2 的1/ 2 , m k 弹簧的刚度 d 主阀芯的基本宽度, mm x 主阀的开度, mm Δx 弹簧的变形量, mm Pav 节流孔处的起始真空度, MPa x1 主阀的上限开度 K 由实验结果拟和的线系数 ζ 阻力系数,取决于阀的结构、口径和开度 ω 阀门通道的截面积 1 概述 油库收发油作业过程中必须防止跑冒油事故的 发生,以保证灌装操作的安全。根据收发油作业的 现状及液位自力式控制装置的应用情况,研制了一 种完全依靠输送流体自身压力控制阀门动作的全机 械式结构装置。该装置在罐车液位到达安全线时能 及时自动关闭阀门,在关闭阀门时能减小水击危 害。 2 工作原理 阀门图 1 的开启或关闭状态主要由主阀芯 受力状态及弹簧的变形情况决定。其影响因素主要 有流体压力、有效通径及阀门的泄漏情况。在主阀 尚未开启的情况下,外腔体即主阀芯下部的流体压 力近似为泵的出口压力,该压力所形成的向上作用 力大于弹簧的弹性力,主阀开启,开始正常的灌装 作业。当接受油料的罐车液位到达设定的控制液位 时,浮筒上升堵塞控制油路通往受油装置的出流小 孔,从而在控制装置内腔建立与外腔一致的流体压 力,主阀芯在弹簧力作用下关闭,完成整个液位控 制过程,主阀芯的下降速度与小孔泄流流量相适 应。 在主阀开始工作后,外部压力流体经小孔泄流 后进入主阀的环形腔内及其他空间间隙,环形间隙 01 阀 门 2008年第2期 的结构特点使得流体的流动具有很大的阻力,同时 介质的工况不同将造成阀门关闭时间的不一致。 11 出流口 21 滤波筒 31 进油口 41 组合密封环 51 控制器顶盖 61 排气阀 71 调整装置 81 弹簧 91 控制管 101 内腔支撑 111 主阀芯 121 装置外套 图1 控制装置 3 关阀特性分析模型 311 关阀时间 在实际流动过程中,阀门内部流道的流动状态 是三维的,由于控制装置采用内外腔套层的结构形 式,其内部的泄流间隙很小,可近似认为其流动状 态为层流图 2 。则由不可压缩流体本构方程 广义牛顿内摩擦定律和纳维斯-斯托克斯方程。可 以得到环形间隙中流体的流量Q为 Q - π ΔP 8μL r24-r14- r 22-r12 2 ln r 2/ r1 1 图2 环形间隙流速分布 忽略流体介质回流的影响,则阀芯受弹簧变形 产生的压力P1为 P1 4k xΔ x π d 2 -d12 2 节流孔处的压力P2变化随主阀开度的变化而 变化。 P2PavK x1- x 3 则环形缝隙的压差ΔP为 ΔPP1k′P2 4k xΔ x π d 2 -d12 k′[ PavK x1-x ]4 由于自力式液位控制装置与液位开关配合使用 起到控制液位的作用,由质量守恒定律和阿基米德 定理可知,当浮筒液位变化了dx时 Qdt - π 4 d 2 -d12dx5 联立以上各公式,积分后求得阀门的关闭时间 为 T c1 c2c3ln c3x1c4 c4 6 c1π d 2 -d12 c2 π 2μL r24-r14- r 22-r12 2 ln r 2/ r1 c3 4k π d 2 -d12 -Kk′ c4 4kΔx π d 2 -d12 k′PavKk′x1 312 运动机理 自力式液位控制装置的主要元件是差动控制 阀,它对整个阀门关闭时间的长短及水击危害的大 小有重大影响。阀门关闭过程中,阀门开度的变化 对整个流体的流动方程及阻尼系数有重大影响。阀 门的关闭特性随着时间而改变,由水力学知识可以 得到其阻力特性ΔH为 ΔH ζ 2gω 2Q 2 7 阀芯的运动过程应是先在减速正流中缓慢关 小,在加速逆流中加速关小,在关闭的瞬间流体流 速突变为0 ,即将产生水击。其运动方程为 9V 9t V 9V 9s 1 ρ 9P 9s λ 2DV |V| 08 在关阀过程中阀芯的移动速度V可以表示为 V 1 2μL d 2 -d12 r24-r14- r 22- r12 2 ln r 2/ r1 4k xΔ x π d 2 -d12 k′[ PavK x1-x ]9 4 编程计算关阀特性 由于采用手工方法计算工作量很大,所以采用 VB 610编程语言计算图 3 。计算得到关阀时间 t 3162s。阀芯移动速度值如表1所示。 5 结语 自力式液位控制阀依靠输送流体自身压力控制 阀门动作,保证了油料灌装和收油下转第18页 112008年第2期 阀 门 图8 球阀的P0与A的关系曲线 图9 球阀的Qv与A的关系曲线 图8为恒定内漏度及下游压力分别为0110和 0115MPa下,上游压力P0与内漏声振幅A的关 系曲线,从图8中可以看出随着上游压力的增加, 阀门两侧压力差增大,阀门的内漏声振幅A也随 之增大。 旋转球阀的阀杆能够调节其节流间隙的大小, 这样可以模拟球阀的内漏度。由于其不可测性,又 知内漏间隙正比于内漏率,所以采用内漏率Qv代 替内漏度来分析它对内漏声场的影响。 图9为球阀在不同内漏间隙下的内漏率与测得 声振幅之间的关系曲线,由图可知,随着内漏率的 增大,内漏噪声振幅A也随之增大,与球阀内漏 声场的数值模拟结果规律相近,验证了声场数值模 拟的正确性。 7 结语 1数值模拟结果表明球阀在发生内漏时存在 两处噪声源,且下游声强要高于上游至少20dB , 这为实验判定是否泄漏提供了理论依据,同时二次 截流处是噪声最强的地方,是检测的最佳位置。 2数值模拟结果和实验研究都证明在恒定压 力状态下,球阀内漏噪声振幅随着内漏度的增大而 逐渐增大。当内漏度不变时,噪声振幅随着阀门两 侧压力差的增大而逐渐增大。这对球阀气体内漏的 声学检测具有指导意义。 参考文献 〔1〕 张颖,戴光,韩波,等.利用声学检测方法估算气体阀门的 内漏率 〔J〕.大庆石油学院学报, 2005 , 29 4 79 - 82. 〔2〕 戴光,王兵,张颖,等.闸阀气体内漏喷流声场的数值模拟 〔J〕.流体机械, 2007 , 35 3 29 - 33. 〔3〕 马大猷.现代声学理论基础 〔M〕.北京科学出版社, 2004 296 - 306. 〔4〕 Stoker R W , Smith M J. An uation of finite volume direct simulation and perturbation s in CAA Application〔R〕. AIAA - 93 - 0151 , 1993. 〔5〕 葛永斌,吴文权,田振夫.二维波动方程的加权平均隐格式 及多重网格算法 〔J〕.上海理工大学学报, 2002 , 24 3 204 - 208. 〔6〕 李太宝.声场的方程和计算方法 〔M〕.北京科学出版社, 2005 7 - 66. 收稿日期 20071121 05 上接第11页 图3 关阀时间计算程序流程 表1 阀芯移动速度值 序号 阀门上限开 度X1/ mm 移动速度值 mm/ s 序号 阀门上限开 度X1/ mm 移动速度值 mm/ s 1285179752461031 2275185562361089 3265191372261150 4255197282161206 系统的安全。该装置在实际应用过程中需要考虑其 关阀时间,分析其启闭特性,通过建立数学模型和 用VB 610编制程序计算,可以准确得到关阀时间 及阀芯的运动速度,以便更好地适应工况条件。 参考文献 〔1〕 梁国伟,蔡武昌.流量测量技术及仪表 〔M〕.北京机械 工业出版社, 2002 158 - 159. 〔2〕 陈锡剑.运油车一次油气回收接头的改制 〔J〕.专用汽车, 2004 1 21 - 22. 〔3〕 齐鄂荣,曾玉红.工程流体力学 〔M〕.湖北武汉大学出 版社, 2005 380 - 382. 〔4〕 金忠青. N - S方程的数值解与紊流模拟 〔M〕.河北河海 大学出版社, 1989 206 - 208. 〔5〕 杜强,等.防水锤球形止回阀流场数值模拟和试验研究 〔J〕.阀门, 2006 4 14 - 16. 〔6〕 Wylie EB , Streeter VL.Fluid Transient Corrected Edition 〔M〕.Feb Press , Michigan , 1983 127 - 129. 收稿日期 20071121 21 81 阀 门 2008年第2期