旋轉球閥式泵保護閥設計與計算

邢 影，楊 銳

（北京航天動力研究所，北京 100176）

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旋轉球閥式泵保護閥設計與計算

邢 影，楊 銳

（北京航天動力研究所，北京 100176）

摘 要：介紹了一種旁路由旋轉球閥和多級節流孔板組成的新型泵保護閥的設計與計算，該泵在旁路為極小流量時可有效替代常規高壓泵保護閥中的多級節流串結構。在實際工程中的應用證明，能有效地保證泵在最小流量時正常運轉。

關鍵詞：泵保護閥；旋轉球閥；節流孔板

泵保護閥安裝于離心泵出口，當泵在低負荷工作時，旁通閥打開以保證流過泵的最小需求流量，提高泵的效率，減少泵的故障［1］。泵保護閥具有流量感知、止回、旁通控制和多級降壓等功能，調節平緩，減少了突然降壓帶來的汽蝕，減少了泄漏，能經濟有效地保證離心泵系統的正常工作，如圖1所示。

圖1 泵保護閥系統

常規高壓泵保護閥旁路通常為帶有多級減壓機構的節流串，見圖2。當主路關閉，旁路打開時，控制器蓋和渦旋塞、渦旋襯套形成一個高壓區，而活塞和渦旋塞形成一部分低壓區，減壓襯套因左右受力不平衡，拉動鎖緊螺母和渦旋塞向左運動，旁路打開，渦旋襯套和渦旋塞形成逐級減壓環面積，將介質壓力降低。當主路打開時，止回閥帶動轉軸向上抬起，轉軸推動活塞、減壓襯套向右運動，鎖緊螺母和渦旋塞不再受減壓襯套的拉動，在介質力作用下向右動作，直到最終關閉旁路出口。旁路渦旋塞受結構及密封圈的限制，行程變化很小，節流環面積變化很大，這樣的結構在小流量旁路壓差很大的情況下很難調節，會出現震顫、噪聲等情況；另外，常規的多級減壓節流串需要有一定的推力來克服密封圈及部件間的摩擦力才能使旁路打開。因此，在流量小、活塞運動行程很短的情況下，常常發生旁路打不開或減壓不足造成汽蝕的情況，影響系統的正常工作［2］。

圖2 多級節流串式保護閥旁路結構示意

1 多級孔板減壓式泵保護閥設計

本文所研究的孔板式泵保護閥旁路由旋轉球閥和多級節流孔板組成，解決了節流串對流量的限制，保證泵在最小流量時可正常運轉，實現泵的有效保護。這樣的結構和常規的多級減壓節流串一樣具有能止回、敏感工藝流量、防止介質倒流、多級減壓、有效防止“水錘”［3］、汽蝕等特點。

多級孔板減壓式泵保護閥結構見圖3。當泵啟動時，泵保護閥下游流量控制閥關閉，主路止回閥在彈簧壓力及止回閥自重的作用下，處于關閉狀態，閥桿伸入的旋轉球閥處于全開位置，保證泵的最小回流。當主路下游流量控制閥逐漸打開，主路流量增加時，止回閥在介質力作用下，克服彈簧力和止回閥自重而逐漸打開，旋轉球閥旋轉，過流孔逐漸被閥頭遮擋使再循環流量逐漸減少。當泵正常工作時，主路液壓將止回閥完全打開，旋轉球閥完全被閥頭關閉，再循環系統完全被切斷。當工況改變或異常時，隨著主路液體壓力的變化，止回閥處于不同的位置，也就調節了旋轉球閥處于不同的位置，使之滿足離心泵的最小流量。當泵停止運行時，主路止回閥所受壓力下降，在彈簧力及自重作用下關閉，旁路旋轉球閥開度逐漸增加，直到全開，旁通流量滿足泵的最小流量，同時多級孔板多級降壓將介質壓力減到背壓。

其中旋轉球閥是泵保護閥技術中主路和旁路切換的關鍵設備，旋轉球閥通過旋轉實現介質主路與旁路之間的切換。旋轉球閥孔板為偏心設計。止回閥開啟時，閥桿帶動旋轉球閥順時針旋轉，旋轉球閥出口被閥頭遮擋住，阻止了液體進入旁路。主路止回閥逐漸關閉，閥桿帶動旋轉球閥逆時針旋轉，當旋轉球閥出口正對閥頭孔板時，打開旁路出口。此時介質通過旋轉球閥實現從主路向旁路轉換。旁路關閉時旋轉球閥位置局部示意見圖4，旁路全開的位置示意見圖5，旋轉球閥的旋轉角度由最小流量時止回閥的開高確定；旋轉球閥孔板孔徑的大小和個數可以根據流量的大小設定，沒有最小流量的限制；旋轉球閥運動過程中只有閥桿和旋轉球閥聯動的部件，因此運動所受的摩擦力也很小。

圖3 多級孔板式泵保護閥結構示意

圖4 旋轉球閥關閉位置

圖5 旋轉球閥打開位置

2 多級孔板減壓式泵保護閥設計

2.1 止回閥開高設計

在泵保護閥的靜態特性計算中［4］，略去止回閥和導桿螺套、閥桿的摩擦阻力，止回閥的受力F方程式為：

式中：Fs為止回閥前后壓差引起的不平衡力，為止回閥上下面壓差；S為止回閥不平衡力面積，m2；F1為彈簧力；G為止回閥重力，N。其中止回閥開高H由簾面積和主路壓降ΔP確定，見圖6。

圖6 升力計算示意

式中，H為止回閥開高。

其中，ΔP為主路壓降，MPa；ρ為密度，kg/m3；ξ為1.7。

令S=SL，解出開高H。

2.2 孔板設計

泵保護閥旁路實現回流減壓，使介質從泵出口高壓降到泵入口壓力，保護工藝設備。本文旁路減壓是通過多級節流孔板來實現的，而在設計孔板過程中孔板的級數、大小以及孔板的厚度是關鍵。

在孔板節流處的壓力P0降到對應溫度下的飽和蒸汽壓力Ps0以下，流體中將會有蒸汽以氣體的形式逸出，即產生空化現象?？栈前l生在液體內部的汽化現象，是在溫度一定的情況下由于壓力的降低而引起的液體汽化現象。多級孔板的設計考慮了空化，要求在孔板節流處的壓力P0＞Ps0，換言之，孔板前后壓差不能過大以防止氣蝕對閥體部件的破壞，減少噪音的產生。隨著孔板前后壓差ΔP的增加，在節流點剛好發生空化現象，這時流速不再隨ΔP增加而增加，稱此時ΔP為阻塞壓差，記作ΔPS。

其中：

式中：P1，P2為孔板進出口壓力，MPa；Pc為水的熱力學臨界壓力，取22.5 MPa；FL為液體壓力恢復系數，取0.9；Ff為臨界壓力比系數。

由此可知，當壓差要求較大時，采用一級節流是不可能的，這時就需要采用多級節流孔板，一般認為第一級孔板的設計壓差應小于阻塞壓差，其壓差的大小取決于第二級孔板，多級孔板的壓降按幾何級數遞減。

其中：

孔板孔徑的計算［5］：

式中：dk為節流孔板孔徑，mm；G為通過孔板的流量，t/h；ρ為水的密度，kg/m3；Δp為孔板前后壓差，MPa。

孔板的厚度計算：

式中：p為設計壓力，MPa；δ［］t為鋼材設計溫度下的許用應力，MPa；sc為孔板厚度，mm。

2.3 流場數值模擬

此計算中實體造型采用SOLIDWORKS，采用的計算軟件為Fluent，采用層流和紊流模型，不可壓縮，定常流，不考慮重力，內部流，墻為絕熱墻，忽略表面粗糙度的影響。網格由Fluent網格生成器自動生成。圖7和圖8為最大流量即主路全開時，主路的壓力和速度分布；圖9和圖10為最小流量即旁路全開時，旁路的壓力和速度分布。Fluent能較好模擬閥門內部流動狀態，計算的結果與實驗結果能較好地吻合。

2.4 實驗驗證

本文所研究的新型泵保護閥在工程實際中已經得到應用，某化肥項目鍋爐給水泵的最大流量為10 m3/h，最小流量為2 m3/h，關閉壓力4.86 MPa，最小流量時的壓力4.808 MPa，旁路背壓0.5 m3/h。圖11為某項目交付的產品出廠前的實驗曲線，由圖可見，在泵剛剛啟動時，主路流量為0，隨著主路流量逐漸增加，旁路流量由2.5 m3/h逐漸減小直到為0，在主路流量為4.4 m3/h的時候實現了切換，能保證泵的最小流量為2 m3/h；隨著主路流量的增加，主路壓降不斷降低，各項性能均能滿足需求。

圖7 主路全開時主路壓力云圖

圖8 主路全開時主路速度云圖

圖9 旁路全開時主路壓力云圖

圖10 旁路全開時主路速度云圖

圖11 實驗曲線

3 多級孔板式優勢

對旋轉球閥與多級減壓節流孔板結構進行了一定的改進和創新，具體措施如下。

（1）采用旋轉球閥設計實現介質主路與旁路之間的切換。旋轉球閥運動過程中只有閥桿和旋轉球閥聯動的部件運動，其所受摩擦力非常小，保證了主路和旁路的順利切換。

（2）采用全金屬密封，適用高溫、低溫介質，拓寬了泵保護閥應用范圍。而常規結構的設計需要用GLYD圈、O形圈等非金屬材料密封，對溫度和介質有一定的限制，在溫度超過200℃或低于-60℃時就很難選到非金屬密封圈。

（3）采用了多級節流孔板實現旁路減壓，根據設計流量對所需的孔板級數、大小以及厚度進行了詳細計算，滿足了“小流量、大壓差”的設計要求。

4 結語

本文詳細介紹了新型泵保護閥應用的設計與計算，對新型泵保護閥應用的設計提供了理論依據。多級孔板式泵保護閥是今后泵保護閥發展的重要方向之一，被廣泛應用于電廠、核電以及石油與液化氣領域，具有良好市場前景。

參考文獻：

［1］陳振明，靡若虛.離心泵手冊［M］.上海：上?？茖W技術文獻出版社，1987.

［2］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社.1998.

［3］王學芳，葉宏開，湯榮鳴，等.工業管道中的水錘［M］.北京：科學出版社，1995.

［4］方本孝，鄭慶倫，王渭.高性能止回閥結構設計的分析研究［J］.流體機械，1998，26（4）：10-14.

［5］張寶峰.多級節流孔板的設計計算［J］.西北電力技術，2005，32 （5）：32-33，35.

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.006 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.006

中圖分類號：TH38

文獻標識碼：A

文章編號：1004-8901（2016）03-0019-04

作者簡介：邢影（1981年-），女，吉林長春人，2008年畢業于西北工業大學航空宇航推進理論與工程專業，碩士，工程師，現主要從事閥門技術支持與銷售等工作。

收稿日期：2016-01-19

Design and Calculation of Rotary Ball Valve for Pump Protection

XING Ying，YANG Rui
（Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100176 China）

Abstract：This paper introduces the design and calculation of a new type of valve for pump protection，whose bypass consists of rotary ball valve and multistage throttling orifice，which can effectively replace multistage throttling plug of ordinary valve for high pressure pump protection when the bypass is at minimum flow service.It has been proved to assure pump's normal operation in practical application at minimum flow service.

Keywords：valve for pump protection；rotary ball valve；multistage throttling orifice