旋塞閥任意行程開(kāi)度下通流面積計(jì)算方法

張春杰　楊銀山　尹昱淞　李　折

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

0　引言

以球閥、柱塞閥為代表的旋塞閥由于具備流體阻力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)快速開(kāi)閉和遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油石化、天然氣輸送、高精度計(jì)量等多個(gè)行業(yè)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，球閥的開(kāi)閉狀態(tài)往往是通過(guò)其行程開(kāi)度來(lái)衡量的，但旋塞閥的通流面積與行程之間并非線性關(guān)系。本文通過(guò)計(jì)算給出任意開(kāi)度下更為簡(jiǎn)單[1-2]的旋塞閥的通流面積計(jì)算公式。

1　旋塞閥通流面積計(jì)算模型建立

將旋塞閥中的主要部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立如圖1所示的物理模型[3-5]。

由圖1所示，閥門(mén)任意開(kāi)度時(shí)的流道面積由閥芯流道和閥體流道的重疊部分確定。將圖1轉(zhuǎn)化為平面視圖后，如圖2所示。

圖1　閥門(mén)閥芯入口流道形狀

圖2　平面視圖下旋塞閥轉(zhuǎn)過(guò)任意角度時(shí)的通流面積

圖2中，∠a為閥芯轉(zhuǎn)過(guò)角度；O1、O2分別為閥體和閥芯流道截面在垂直于流體來(lái)流方向上的投影圓、橢圓的圓心；SMEPF即為閥門(mén)任意開(kāi)度下的通流面積。

2　任意角度下旋塞閥通流面積計(jì)算

SFlow=SMEPM+SMFPM

(1)

(2)

(3)

其中，MO1P為橢圓圓弧，MO2P為正圓圓弧，SSectorMO2P為圓O1的扇形面積，SSectorMO1P為圓O2的扇形面積；

(4)

(5)

其中：

SO1=pr2

(6)

SO2=pr2·cosa

(7)

將O1點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)，圓O1的解析式為：x2+y2=r2

(8)

L為橢圓和圓的圓心距。聯(lián)立圓和橢圓方程，即可解得點(diǎn)M的橫坐標(biāo)為：

(9)

∠MO1P=2∠MO1N=2arccos(x/r)

(10)

(11)

將以上公式進(jìn)行整理，最終得到旋塞閥轉(zhuǎn)過(guò)任意角度時(shí)的通流面積計(jì)算公式(12)，面積開(kāi)度計(jì)算式(13)：

(12)

(13)

3　旋塞閥完全關(guān)閉位置計(jì)算

旋塞閥的轉(zhuǎn)動(dòng)行程一般為90°，但根據(jù)圖1所示，旋塞閥完全關(guān)閉時(shí)并未轉(zhuǎn)過(guò)90°，而是在某個(gè)位置時(shí)完全關(guān)閉。如圖2所示，當(dāng)點(diǎn)N到達(dá)圓O1的邊界(點(diǎn)F)時(shí)旋塞閥完全關(guān)閉，此時(shí)滿(mǎn)足式(14)：

(14)

式(14)中x的解析式較為復(fù)雜，這里給出基于MATLAB的迭代計(jì)算程序，通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)算精度，輸入變量為旋塞閥閥芯半徑R，閥芯流道半徑r，以及計(jì)算精確度P；輸出變量為閥門(mén)完全關(guān)閉時(shí)的旋塞閥轉(zhuǎn)過(guò)的角度a，閥芯角度從全開(kāi)位置旋轉(zhuǎn)超過(guò)角度a時(shí)，屬于無(wú)效行程。

function[a]=Valve_Closing_Position_Calculate(R,r,P)

Angle_Start=-20;

視域可見(jiàn)度與全局整合度相關(guān)性分析，常用作衡量一個(gè)空間區(qū)域中局部空間結(jié)構(gòu)能否有助于人們建立起整個(gè)空間系統(tǒng)的能力，也可以稱(chēng)為“智能度”.在整體空間中選取局部區(qū)域，可從整體系統(tǒng)的角度分析該區(qū)域與整體空間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，即該區(qū)域的空間系統(tǒng)智能性.

Angle_Step=10;

while Angle_Step>P

for a=Angle_Start:Angle_Step:90

x=nthroot(R^2-r^2,2)*sin(a/180*pi)/(cos(a/180*pi)+1);

ifx>r

break

end

end

Angle_Step=Angle_Step/10;

Angle_Start=a-Angle_Step;

end

end

4　結(jié)論

本文給出了目前應(yīng)用廣泛的旋塞閥在任意轉(zhuǎn)角下的通流面積計(jì)算公式，將行程開(kāi)度(角度)換算為通流面積，能夠更加直觀地體現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)閉情況，同時(shí)給出了旋塞閥的有效行程角度計(jì)算公式，能夠用于流量控制和高精度計(jì)量的相關(guān)研究。

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