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高压减压阀的结构设计与应用

作者:未知

  摘 要:高压减压阀的结构是否合理,一定程度上决定着器械的使用性能。基于此,本文首先简要介绍了高压减压阀的原理,分析了器械的功能特点。其次,主要从结构参数、结构功能两方面出发,归纳了高压减压阀的结构设计方法。并以某水电站为例,阐述了高压减压阀的应用方式,分析了应用问题,归纳了性能的优化方法。通过对优化效果的观察,证实了结构优化设计方案的应用价值。
  关键词:高压减压阀;结构设计;节流锥
  中图分类号:TH134 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2019)10-0034-02
  1 高压减压阀的原理及工作特点
  1.1 高压减压阀的原理
  高压减压阀为用于调节出口压力的仪器,可借助介质(如:气体、液体)本身的能量,对管道出口处的压力进行控制。就流体力学而言,减压阀为节流元件的一种,其局部阻力可发生变化,对节流面积进行调整,使流体动能得以增强。应用高压减压阀后,介质及管道内部可发生压力损失,减压的目的由此达成[1]。单独就水利系统而言,高压减压阀所控制的最大流量,应控制为20%~80%,如此及方可获得最佳的流量特性。气动调节阀为高压减压阀的主要组成部分,功能在于稳定气源压力,以利用气源动力实现对压力的调节。
  1.2 高压减压阀的工作特点
  高压减压阀的工作特点,主要体现在“可靠性强”、“调节方便”、“节能性强”、“寿命长”四方面,具体如下:(1)可靠性强:将高压减压阀应用到各介质的管道中,可有效实现减压,且效果可靠。应用该器械的管道,出口压力受进口压力以及流量的影响较小,管道内介质的动压、静压均可有效减少,使管道的出口压力维持稳定[2]。(2)调节方便:高压减压阀的应用,同样具有调节方便的优势。应用器械的过程中,有关人员仅需调节先导阀的螺钉,便可实现对管道出口压力的控制,极其快捷。(3)节能性强:高压减压阀阀体的设计模式,以全通道流线型直流式设计为主,应用阀门控制管道出口压力的过程中,压力损失较小,节能性强。(4)寿命长:高压减压阀,具有使用寿命长的特点。该器械体积较小,重量较轻,且重要零件均采用特殊材料制成,无需大量维护,便可正常运行。
  2 高压减压阀的结构设计方法
  2.1 结构参数设计
  2.1.1 弹簧最大直径设计
  高压减压阀含有弹簧,弹簧的参数是否能够符合需求,是决定高压减压阀应用效果的主要因素。为增强其工作性能,应对结构参数进行设计[3]。假设弹簧的许用应力为φ,旋绕比为5~8,弹簧丝的切应力应采用以下公式计算:
  Φ=8F2D2K/πd3=8F2KC/πd2≤φ
  上述公式中,d代表弹簧直径(最大值),F代表工作负荷,D代表弹簧中径。采用上述公式计算后可发现,如弹簧直径d为未知数,则可采用以下公式,对直径进行评估:
  D≥(1.6F2KC/φ)1/2
  2.1.2 弹簧刚度及有效圈数
  除直径外,弹簧的刚度、有效圈数量,同样为影响其性能的主要因素。对此,建议有关人员仍采用公式,对以上两项指标进行计算。弹簧刚度,应采用以下公式计算:
  K=(GD2/8C4n)N/M
  上述公式中,K代表刚度,G代表切变模量。将上述各项公式应用到计算的过程中,便可明确弹簧的刚度数据。弹簧的有效圈數,指当处于最大负荷下时,维持出口压力所需要的弹簧的有效圈数,具体计算公式如下:
  N=[GD2(f2+f0)]/8F2C4
  上述公式中,N代表弹簧的有效圈数。经计算后,便可明确高压减压阀参数。
  2.2 结构功能设计
  高压减压阀中,含有空压机部件。减压阀运行的过程中,空压机可对气体进行压缩,使其压力处于3~5MPa范围内,形成高压空气。经过压缩的空气,可通过阀门的进气口,进入至阀体内部,并经锥型通道节流减压后,进入阀体的气腔之中。此时,气体可自排气孔排除,并进入空压机的调节装置。上述过程中,高压减压阀的各阀门,可被高压气体所带动,使运动状态发生改变,从而使气腔中的压力得以减小。为提高气压的稳定性,有关人员可通过高压减压阀的手柄,对其排出气体的压力进行控制,使其处于一定范围内,避免排出压力受进气压力的影响而发生改变,使高压减压阀的应用性能得以改善。为避免高压减压阀的内部装置被高压气体所破坏,应将膜片置入阀体内部,并设置相应的卸荷孔,使高压气体可通过卸荷孔释放,使结构应用的安全性得以提升。
  3 高压减压阀的应用
  3.1 水电站概况
  高压减压阀在各水电站中均有所应用,可有效调节出水压力,使水电站供水的安全性得以提升。故本部分以某水电站为例,对高压减压阀的应用问题进行了分析。本文所选水电站,装机容量为2×6300kW,为引水式电站。水电站供水的过程中,需采用自动减压的方式对液体压力进行调节,且可通过水泵实现供水。水电站单机组供水时,流量为450m3/h,测量发现,此时的水头为260~240m。采用水泵供水,虽可达到提高供水稳定性的目的,但难以保证供水的连续性。导致上述缺陷存在的原因,与水泵故障发生率高有关。因此,本水电站决定通过自动减压供水的方式实现供水。为使自动减压供水得以实现,应用高压减压阀是关键。
  3.2 减压系统构成及工作状况
  3.2.1 减压系统构成
  本水电站减压系统,主要由取水阀、工作阀、减压阀三部分构成。上述阀门中,高压减压阀的型号为ZJY46H-40CDN150。减压系统运行过程中,出水的压力应控制在0.6MPa左右。进入减压阀的水,可流入至水池之中。本水电站水池,可供两台机组用水。当水流入水池中后,调节阀门可对过流面积进行调节,使其达到稳定、合理的水平。本水电站对高压减压阀性能进行调节前,单台高压减压阀的流量,如需满足机组运行,噪音可达到118dB。除噪音外,高压减压阀使用寿命短的问题,在本水电站中同样显著存在。明确导致该问题出现的原因,并对高压减压阀的性能进行优化,是解决问题的关键。   3.2.2 系统工作状况
  通过对自流减压供水系统工作状况的观察发现,本水电站所使用的高压减压阀,共包括2台,为二级减压。减压阀投入使用1年后,均发生损坏,难以继续投入使用。为满足减压需求,水电站将减压阀更换为了ZJY45H型组合式器械,通过一级减压的方式,达到了稳定出水压力的目的。减压阀使用2年后,噪声有所提高,但性能仍良好,节流锥虽可见气蚀,但仍能够使用。因本水电站生态环境差,水中所含石英砂较多,当水流速度较快时,气蚀问题极容易产生。加之石英砂所带来的磨损,减压阀运行环境较为恶劣。如未对其进行改进,使用寿命将显著缩短。可见,为增强高压减压阀的性能,延长其使用寿命,对其结构进行优化设计较为重要。
  3.3 高压减压阀的应用试验
  3.3.1 试验过程与结果
  为明确高压减压阀应用过程中存在的问题,本水电站通过实验的方式,对其应用状况进行了分析。当减压阀主阀全开程为28mm、调节杆预压高度为89mm时。如出口阀开度减小,出口压力虽有所变化,但幅度较小,对机组运行状态的影响可忽略不计。此时,通过对水流噪声的测量可以发现,水流噪声显著降低。此外,本水电站通过观察,同样发现了以下问题:(1)将出口压力调高后,水流噪声可有所降低,降低数值为6~7dB。(2)当出口阀的开度发生改变后,水流噪声的降低幅度可达到30dB左右。(3)将出水的压力自0.6MPa升高为0.7MPa后,出口阀的机组可有效运行。
  3.3.2 综合分析
  高压减压阀的应用试验完成后,本水电站工作人员对其应用状况进行了综合分析,结果显示:(1)将节流锥应用到高压减压阀中,可有效降低水流噪声,表明,节流锥具有一定的应用价值。(2)节流锥应用性能具有穩定性,发生故障的风险小,使用寿命值得肯定,表明,节流锥具有一定的应用可行性。(3)应用节流锥的同时,将调节杆纳入至减压系统中,同样可达到降低水流噪声的目的。实践经验显示,减压阀水流噪声产生的根源,为水流通过节流锥时所产生的涡流。而涡流的大小,则取决于水的流速、流道、节流锥形状等因素。研究发现,高压减压阀内,水的流速与节流锥的开度,存在一定的关联。可见,从改变节流锥形态的角度入手,对高压减压阀结构进行优化设计,可有效解决现有的问题。
  3.4 高压减压阀问题的解决
  为使高压减压阀结构不合理的问题得到解决,本水电站将CFD软件应用到了节流锥的设计过程中。本水电站所应用的高压减压阀,需通过调节阀芯开度的方式,使阀芯与阀座之间形成环形通道,从而实现减压。受水流冲击的影响,用于减压的阀芯,将消耗部分能量,导致该部分的水流速度加大,致使压力出现变化。获取高压减压阀的运行参数发现,本水电站的该器械,直径为450mm,压力为2.5MPa,流量为1600m3/h。经过计算发现,工况稳定状态下,当进口压力一定时,对应的高压减压阀开度H同样确定。经计算发现,当减压阀开度H为45mm、35mm、29mm、28mm以及27mm时,出口压力各不一致,H为28mm时,出口压力可满足系统的运行标准(0.6MPa),因此,建议将出口开度控制为28m。
  3.5 高压减压阀结构的优化及效果
  为增强高压减压阀的性能,本文对减压阀的节流锥进行了优化,旨在预防空化问题,使噪声得以下降,改善减压系统的运行效果。实践经验显示,空化的问题,一般发生于减压阀阀芯断面靠近上表面的位置。导致上述现象出现的原因,与该部位水流速度的急剧改变有关。将端面与上表面之间的过渡面,改为曲面形结构,可有效增强曲率。此时,水流流道的光滑性将明显提升,噪声以及空化的问题,也将得到解决。为评估高压减压阀结构的优化设计效果,本水电站通过试验的方式,对改进后的高压减压阀性能进行了评价。结果显示,改进后,减压阀的气泡最大体积分数自0.571降低到了0.210,降低幅度高达60%以上,水流噪声同样有所减小,表明,该结构优化方案的应用,取得了良好的效果。
  4 结语
  综上所述,本文对高压减压阀的结构设计与应用问题的研究,优化了高压减压阀的结构及性能,有助于全面改善其使用效果,延长其使用寿命。未来,建议以水电站为代表的各领域,主动对高压减压阀进行应用,并根据生产需求,分析减压阀应用过程中存在的问题,对减压阀的结构以及参数进行调整,全面提高生产效率,提高生产及运行的安全性。
  参考文献
  [1] 岳鹏.基于Deform软件的减压阀壳体模锻工艺优化[J].热加工工艺,2019,48(03):167-169+172.
  [2] 罗宏博,张建锐,曹植.基于AMESim的先导式减压阀动、静态特性仿真分析[J].煤矿机械,2019,40(02):72-75.
  [3] 刘文彩,许勇.自来水减压阀结构分析与优化设计[J].液压气动与密封,2018,38(09):20-25.
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