一种后置调节型三孔口复合式防水锤空气阀阀组
技术领域
本发明涉及阀门技术领域,尤其涉及一种后置调节型三孔口复合式防水锤空气阀阀组。
背景技术
现有的普通空气阀采用的是高速排气口和高速吸气口为同一个孔口,不能够独立选型,传统的高速排气孔口径通常偏大,不能调节控制,而吸气孔口径相对偏小,吸气量明显不足,负压风险偏高,微量排气孔口单一、偏小,只有一个尺寸为1.6mm,(见排气阀行业推荐标准CJ/T 217-2005),无法满足大管微量排气需求。
管路或容器系统空管充水或充液时,高速排气孔口高速排气,孔口处会产生一定的气体压差,当压差达到2kPa~30kPa时,普通高速排气阀或者复合式排气阀的浮球都会被高速气流吹起上浮,堵住高速排气大孔口,从而使高速排气阀提前停止高速排气,其后果是:管线或容器内大部分气体没有排出,管线或容器排气不彻底,不能完全充水或充液,半液半气,严重影响管线输液效率或者容器充液量,从而引发压力不稳定、交替接触液汽而导致管壁腐蚀、计量不准确等问题。
传统复合式排气阀的大孔口被提前吹堵之后,如果仅仅依赖微量排气孔口排除剩余的大容量气体,需要很长的时间,将大幅度延长管线或容器空管充液的时间,严重降低工作效率,长距离管线甚至可能需要1~2个月时间才能完成空管充液,这对于只有很短夏季的北方地区来说,影响尤为重大。
为了防止吹堵,只能降低孔口高速排气时的压差;为了降低孔口压差,往往会设计选用过大尺寸的高速排气孔口;也因为排气与吸气共用一个孔口而不能独立选型的缺陷,为了同时满足高速吸气对孔口尺寸的要求,高速排气孔口通常会被选择过大2~4级。其后果可能是:孔口压差降低了,但同时充液时的气体阻力也降低了,导致充液速度反而过大(不是减小),也就是快速充液,快速液流到达空气阀大孔口时,会把浮球快速浮起,关闭孔口,停止液流,导致可能的排气阀关阀水锤Δh=a*ΔV/g≈100*ΔV,水锤升压Δh与流速变化量ΔV的约100倍成正比,从而引发爆管,这其实就是许多空管充液爆管的真实原因之一:排气阀高速排气孔口过大,而不是排气阀不排气或孔口偏小或排气能力不够;而动力式高速排气阀及其组合而成的三孔排气阀则能够为充液提供合适的背压和充液速度而不影响吸气能力,从而避免排气阀关阀水锤。
发明内容
针对上述技术中的不足,本发明提供了一种后置调节型三孔口复合式防水锤空气阀阀组,该空气阀组至少具有14个功能:独立中速排气、独立高速吸气、独立微量排气、独立后置调节控制阀、高吸中排防水锤、高吸微排防水锤、内置气囊防水锤、内置气囊防冻、高速排气孔口自动临时关闭、手动放气阀、手动放水阀、手动冲洗阀和现场压力表监控,以及中央导管高速排气通道(短管)额外气流阻力(作为充液背压)进一步降低充液速度,使该空气阀组能够解决液路系统中各种情况下的通气问题及安全保护问题。
为解决上述技术问题,本发明通过以下方案来实现:一种后置调节型三孔口复合式防水锤空气阀阀组,该空气阀阀组安装在输液管路上,其特征在于:它包括负压吸气阀、微量排气阀、高速排气阀及出口端后置调节阀;所述高速排气阀通过螺纹或法兰直接连接在负压吸气阀的顶部或侧面,负压吸气阀连接于输液管路T型颈部接口,微量排气阀连接在高速排气阀的侧壁上或负压吸气阀的顶盖上或侧面;所述空气阀阀组的高速排气孔口可调节控制,且单独设立,与高速吸气孔口分开设置而非相互共用,并在空气阀阀组内设置了二个内置式气囊;
a、所述高速排气阀,它包括第三阀体、第三阀盖、第二浮球、高速排气孔口和出口端后置调节阀,所述第三阀体上端开口处与共用阀座连接,两者连接处之间通过密封圈密封,在所述共用阀座上端设有侧面开孔的第三阀盖,所述第三阀盖内部设有过滤网,其四周开孔透气,该开孔为高速排气窗口;所述第三阀体内部为一空腔,在该空腔内中心设有第二浮球,该第二浮球上下两端用导向杆导向定位,在第三阀体内部空腔下部的支撑座与调节阀阀杆的中央导孔内上下移动;所述支撑座上设有导向孔,第二浮球下端导向杆通过该导向孔;所述共用阀座为通孔,其上下各有一个孔口,分别为下部的高速排气孔口和上部的调节阀孔口;所述共用阀座上端开口呈倒立的锥形,在该锥形开口的上方设有呈圆锥形的调节阀阀瓣,所述共用阀座下端孔口呈圆锥形,与密封圈一起构成高速排气孔口,其向下的开口角度不小于90゜;其下端为第二浮球阀瓣;密封圈与浮球的密封接触点成点状线形密封,密封圈外形在突出密封接触点后迅速内敛,避开与浮球的大面积接触,该密封接触点所在圆圈直径不大于高速排气孔口直径;第二浮球的直径与高速排气孔口直径的比例不小于1.45;与密封接触点圆圈直径的比例也不小于1.45,避免孔口密封圈抱持第二浮球;
b、所述负压吸气阀,它包括第一阀体、第一阀盖、高速吸气孔口和带调节弹簧的第一阀瓣;所述第一阀瓣的上部受力面积大于下部与外界大气接触的受力面积,无压或者正压状态下,该第一阀瓣利用自身重力或者加上上部正压落座在阀座密封圈上,由燕尾槽内的O型圈阀座密封圈与第一阀瓣形成橡胶+金属双层复合密封;当系统内产生负压时,外界大气压力上推第一阀瓣开启高速吸气孔口及时吸气,向管系统中补气,使管内不产生真空环境或者使真空度下降到一个很低的值,其独立性允许任意选用合适尺寸的高速吸气孔口;该第一阀瓣由两端导向中间挖空的长程导套套于中央导管上,使第一阀瓣在负压时开启上移过程中不会倾斜阻滞,保证启闭顺利;该中央导管上端定位于第一阀盖上,下端被中心支承座的导孔导向,其上部或者下部套入一个调节弹簧及调节螺母,其顶部由一个硬度偏软适中的F4材质的薄垫片调整高度,用于调整中央导管高度与阀盖与阀体之间的尺寸链的公差配合,同时用于适量传递分配第一阀盖顶部压力于四周幅轮支撑和中心支承座;所述负压吸气阀全部的吸气通道面积是公称通径截面积的1.0~1.1倍;
c、所述微量排气阀包括第二阀体、第二阀盖、第一浮球、杠杆组件和微量排气孔口;在正常运行时,借助于第一浮球浮力和杠杆组件的联合作用,微量排气孔口在压力状态下及时将水中释放的空气排出管外;所述微量排气阀孔口尺寸在0.5mm~25mm之间,所述第一浮球设于第二阀体的腔室内,与杠杆组件连接;所述微量排气阀与高速排气阀连接的侧面支撑,其底部采用连接调节套筒作为额外支撑,使微量排气阀的底部向下支撑在第一阀盖上;同时在上部采用薄片绑带与高速排气阀捆绑,形成三点支撑,增加了整体刚性和抵抗人为踩踏的承重能力。
进一步的,所述第一阀体与中央导管之间形成一个微量排气的死角,从而构成一个天然的内置式气囊;该内置气囊通过延长中央导管长度和第一阀体梯形圆筒长度扩大体积;或通过扩大负压吸气阀尺寸扩大内置气囊体积;或将微量排气阀的侧面接口通过引导管和控制阀引导到安装颈部的侧面边缘,同时堵塞底部下接口而形成颈部大气囊;该内置气囊位置位于主管道上方,不增加主管道液流阻力;所述负压吸气阀中央导管不但上端定位于吸气阀阀盖,而且在下端由负压吸气阀的下部中心通孔导向,确保与水平线垂直并且与第一阀瓣成垂直角度;改变第一阀瓣重量或者在中央导管上套接弹簧,改变负压开启值,该开启值调节范围在-90000Pa~-10Pa之间;所述第一阀体上的中心支承座采用了多块片状斜拉斜撑幅轮;其外环四周支承座也采用了多块片状平拉斜撑幅轮。
进一步的,所述高速排气阀内设置第二浮球,其上下两端都设有导向杆定位,所述第二浮球通过导向杆上下双向全程精确导引,其竖向自由活动而横向被精确限制,横向摆幅被大幅减小,既避免了横向撞击,更能保证坐合时精确对位,关闭严密;在压力较高时,为了避免第二浮球上浮过度挤压阀座密封圈使之过度疲劳变形,在第二浮球到达密封接触点后一定行程范围内,顶部调节螺栓将会限制第二浮球的过度上浮。
进一步的,所述高速排气孔口比高速吸气孔口小,所述第一阀体内设置了中央导管,其口径与高速排气孔口直径相同,其长度在100mm~600mm之间,形成短管形气流通道,也能产生一定量的气体阻力,又增大充液背压,进一步降低充液速度;所述后置调节阀为孔口压差调节控制阀,位于高速排气孔口的出口端,通过该调节阀再次产生1kPa~100kPa甚至更高的压差;三者合成产生20kPa~90kPa的气体压差,使之成为系统充液液柱前进的背压阻力,降低并且随意控制空管充液速度。
进一步的,所述共用阀座下端孔口成圆锥形,其与密封圈配合形成圆形线形阀口软密封+金属硬密封双层复合密封形式;密封接触点圆圈直径不大于高速排气孔口直径;第二浮球直径与高速排气孔口直径之比不小于1.45;第二浮球直径与密封接触点形成的圆圈直径之比也不小于1.45;高速排气孔口开口角度不小于90゜。
进一步的,所述第三阀体与微量排气阀连接管之间形成一个微量排气的死角,从而构成第二个内置式气囊;所述高速排气孔口小于高速吸气孔口,管内的气体的排出流量大大低于排出流量,从而在高速进气又中高速排气时能够临时截留一部分空气,形成临时性的弹性气囊,再加上二个内置式气囊,能够缓冲弥合水柱的撞击能量,降低水柱弥合加速度,抑制空腔弥合水锤升压,进出空气的孔口直径之比达到1.5:1~5:1,也就是进出面积之比达到2:1~25:1;顶部后置调节阀还允许在系统第一次充液完成后人为关闭,在关闭后,其高速进排气比例将在原来基础上大幅度提高,最高达到40000:1。
进一步的,所述第一阀盖上端设有人工泄气阀,该人工泄气阀作为手动放水阀或手动冲洗阀;所述第一阀体底部设有二个人工泄水阀;在所述第三阀体的上部圆形侧面上开有1#小孔,第三阀体底座圆形侧面上另开有2#小孔,两个小孔分别连接压力表和微量排气阀或者微量排气阀和压力表;微量排气阀阀盖上设置有一个堵头密封的预留孔口。
进一步的,所述负压吸气阀吸气口朝下、吸气时空气向上流动,形成朝下型上吸式吸气口结构,该吸气口内嵌若干目数的过滤网。
本发明的有益效果具体如下:
1.具有三个独立的通气孔口,每个孔口的尺寸设计选型都能独立进行,克服了普通(二孔)复合式排气阀由于采用同一个高速排气和高速吸气孔口、从而不能独立选型的缺点;
2.高速排气孔口比吸气孔口小许多,从而大幅减小高速排气阀的尺寸,故可以改称为“中高速排气孔口”;
3.高速排气孔口不怕吹堵,因此允许在较高的孔口气体压差下高速排气充液;
4.高速排气孔口缩小增大孔口压差外,中央导管形成短管效应,产生额外压差,导致充液背压进一步增大,空管充液速度降低而且可控(快充容易爆管),二个压差都可现场显示监控。
5.保证系统拥有合适的微量排气能力,提高管线输液效率,降低输液能耗,减少重复建设投资,节能降耗;
6.朝下型上吸式吸气口结构,避免灰尘和昆虫类细小生物在阀口堆积做窝从而被吸入输水管道,减少灰尘和可能的生物污染,避免降低供水水质;
7.二个内部储气结构形成二个具有一定体积的内置型局部气囊,就近吸纳排气阀空管充液排气最后一刻可能的关阀水锤,和运行过程中可能出现的其他局部水锤,相当于在管线系统中设置了多个分散型的气囊式水锤吸纳器,额外增加系统安全性;
8.内部储气结构缓解低温冰冻胀裂阀体;
9.高吸中排比例达到2:1~25:1,具有抑制弥合水锤的能力;
10.高吸微排比例达到100:1~40000:1,具有很高的抑制弥合水锤的能力;
11.高速排气能力后置调节,调节方便,调节质量优秀,弥补孔口级差空挡,使空管充液阻尼背压由与档次型孔口尺寸相对应的离散数据变为连续缓慢可调的连续数据,大大提高空管充液这一极端工况的可操作性和安全性,实现恒压充液;
12.高速排气孔口的后置调节阀可以人为关断,而不影响其它孔口;
13.高速排气阀的浮球阀瓣上下两端双导杆导向,大幅抑制高速气流侧向撞击力对浮球的横向冲击和振动,避免损坏和提前吹堵;
14.高速排气流线型气流通道:从进口至阀盖开孔窗口,气流通道全程呈流线型,很少阻碍和扰动,使浮球阀瓣不受气流扰动影响而避免被提前吹堵;
15.高速排气阀浮球顶部圆球与阀座密封圈之间的线密封结构、吸气阀第一阀瓣与第一阀座之间的金属与橡胶双重密封结构、微量排气阀孔口软密封结构既能实现低压密封,如在20kPa=2mH2O时能保持低压密封,也能实现中压密封;
16.1.45倍以上的浮球直径与排气孔口直径之比,1.45倍以上的浮球直径与密封圈接触点圆圈直径之比,1:1的孔口直径与接触点密封圈直径之比,以及阀口密封面不小于90゜的夹角,能够确保浮球在额定工作压力下、甚至一定程度的水锤压力下不被过分压缩而揳进孔口内,或被橡胶阀座(密封圈)抱持,从而能够在压力消除后自由落下(开启吸气);
17.如果把浮球直径与孔口直径的比例从1.45以上降低为1.30左右,浮球在压力作用下会被阀座密封圈轻微抱住,以至于浮球上部被轻度揳进孔口,这种轻度揳入使密封圈对浮球的抱持力略大于浮球的自重力,在系统内压力下降到0以后至轻度真空范围内浮球仍然不能依靠自身重力下落,从而临时性地自动关闭孔口,使由三阀组合而成的三孔排气阀在负压状态这一关键时刻自动具有临时性的很高的进排气孔口比例,进而达到抑制弥合水锤的目的。但是浮球的这种临时性轻度抱持很容易在需要重新充液前被顶部人工调节阀压迫掉落;
18.圆形浮球能够承受较高的压力,相对非圆球形阀瓣而言,其耐压能力更高;
19.浮球顶部限位装置,限制浮球过度上浮挤压阀座橡胶密封面,既保护密封面,又能避免浮球被抱持。
20.组合阀体上的各个螺纹开口方便连接微量排气阀、排水管、压力表和手动放气放水阀等多种附件中的任何二三种,其中手动泄气阀在拆卸阀体时非常有用;
21.防止灰尘堆积和昆虫做窝,改善卫生条件;
22.第三阀盖及其后置调节阀组合装置以微小的高度代价换取如下六个附加功能:高质量的后置调节阀、不影响其它孔口的单一孔口开关控制阀(若影响其它孔口的则为总控制阀)、上部中心导向孔、进一步形成流线型通道后段、因开孔转向而带来的防尘效果以及方便过滤网安装而带来的防止昆虫做窝等功能,集中上述六大功能于一体而代价仅仅是高度增加大约5%;
23.可以在线维修;
24.二个压力表可以现场监控空管充液过程中的孔口压差和总压差,指导空管充液这一极端工况的现场作业;
25.该三孔排气阀材质可以采用铸铁、球墨铸铁、铸钢、不锈钢、黄铜、青铜、合金钢、双相不锈钢甚至工程塑料等,能够适应清洁水、废水、污水、热水、海水及部分化工溶剂或原料等多种介质工况;
26.既可以三阀组合成一体式,也可以分开安装,中高速排气阀与注气微排阀分开安装;或者分成二孔复合式排气阀与吸气阀单独安装;甚至还可以分成三个阀门独立安装;其中中高速排气阀的接管位置有多种选择:安装在颈部之上;使用延长管向下延伸到颈部中下部位置;再向下延伸到颈部之下到了主管道内等等,这样,空管充液过程中高速排气阀关闭时,不但吸气阀阀体内有内置气囊,安装颈部还留有一个更大的气囊,能够吸纳高速排气阀快速关闭可能产生的关阀水锤;如果希望在完成空管充液之后继续保留这个颈部大气囊,以便吸纳管线运行过程中可能产生的局部水锤,则可以将微量排气阀的接口也通过引导管和控制阀延伸到颈部较低的位置,(同时堵塞微量排气阀的底部孔口210)。
附图说明
图1为本发明后置调节型三孔口复合式防水锤空气阀组结构示意图;
图2为本发明高速排气孔口结构示意图;
图3为本发明后置调节型三孔口复合式防水锤空气阀组俯视图;
图4为本发明在管路上分散式安装和延长接管示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明。
实施例:如图1、图2、图3所示,一种后置调节型三孔口复合式防水锤空气阀组,该空气阀组安装在输液管路或容器系统上,它包括负压吸气阀1、微量排气阀2和高速排气阀3及出口端后置调节阀4;所述高速排气阀3通过螺纹或法兰直接连接在负压吸气阀1的顶部或侧面,负压吸气阀1连接于输液管路T型颈部接口,微量排气阀2连接在高速排气阀3的侧壁上或负压吸气阀1的顶盖上或侧面;所述空气阀组的高速排气孔口可以调节控制,且单独设立,与高速吸气孔口106分开设置而非相互共用,既允许独立选型和调节,分别满足高速排气和高速吸气二个不同的流量或不同速度或不同口径或不同进排气比例要求,也可以叠加吸气量,同时很巧妙地设置了二个内置式天然气囊。
a、所述高速排气阀3,它位于负压吸气阀1的阀盖上部,通过连接管或直接用螺纹或法兰与负压吸气阀1连接,它包括第三阀体301、第三阀盖302、第二浮球305、高速排气孔口309和出口端后置调节阀4;在管路或容器空管充液时,高速排气孔口309提供适量的中高速排气能力并控制管路的充液速度,按计划进度顺利向管路或容器充液,其独立性允许任意选用合适尺寸的高速排气孔口309,而不需兼顾考虑其他因素;所述第三阀体301上端开口处与共用阀座303连接,两者连接处之间通过密封圈304密封,在所述共用阀座303上端设有侧面开孔的第三阀盖302,所述第三阀盖302内部设有过滤网404,其四周开孔透气,该开孔为高速排气窗口403;所述第三阀体301内部为一空腔,在该空腔内中心设有第二浮球305,该第二浮球305上下两端用导向杆导向定位,可以在第三阀体301内部空腔下部的支撑座310与调节阀阀杆402的中央导孔内上下移动;所述支撑座310上设有导向孔,第二浮球305下端导向杆307通过该导向孔;所述共用阀座303为通孔,其上下各有一个孔口,分别为下部的高速排气孔口309和上部的调节阀孔口;所述共用阀座303上端开口呈倒立的锥形,在该锥形开口的上方设有呈圆锥形的调节阀阀瓣,所述共用阀座303下端孔口成圆锥形,与密封圈304一起构成高速排气孔口309,其向下的开口角度不小于90゜;其下端为浮球阀瓣;密封圈304与浮球的密封接触点306成点状线形密封,密封圈304外形在突出密封接触点306后迅速内敛,避开与浮球的大面积接触,该密封接触点306所在圆圈直径不大于高速排气孔口309直径;第二浮球305的直径与高速排气孔口309直径的比例不小于1.45;与密封接触点306圆圈直径的比例也不小于1.45,避免孔口密封圈304抱持第二浮球305;浮球上导向定位杆308由调节阀阀杆402的中心导套导向,其顶部设有一个限位调节螺栓314;
b、所述负压吸气阀1,它包括第一阀体101、第一阀盖102、高速吸气孔口106和可以带调节弹簧的第一阀瓣103及其导套105。当系统内产生负压时,外界大气压力上推第一阀瓣103,使其导套105沿着中央导管104上升,开启高速吸气孔口106及时吸气,向主管或系统内补气,使系统内不产生真空环境或者使真空度下降到一个很低的值,其独立性允许任意选用合适尺寸的高速吸气孔口;无压或者正压状态下,第一阀瓣103利用自身重力或者加上上部正压落座在第一阀座密封圈110上;而且,该第一阀瓣103的上部受力面积大于下部承受外界大气压力的面积,正压状态下,上面压力大于下部空气浮力,吸气阀处于关闭状态;所述第一阀瓣103利用两端导套105套于中央导管104上,该中央导管104上端经由垫片113定位于第一阀盖102上,下端被中心支承座109和中央导孔导向,并由硬度偏软适中的F4材质的垫片113调节定位,合理分配传递第一阀盖102顶部压力至四周幅轮支撑107和中心支承座109,并在尺寸链中起柔性调节作用。中央导管104被设计成具有一定的长度,既方便导套105长程导向,又产生额外的气流压差,用于增大系统内的气流压力(充液背压),进一步降低充液速度;其上方或者下方都可以按照需要设置调节弹簧,用于调节负压开启值;第一阀盖102上设置1#压力表114,用于监控空管充液时除了高速排气孔口309压差之外的中央导管104所产生的额外压差和总压差。
c、所述微量排气阀2,直接固定连接在高速排气阀3的侧壁上或者负压吸气阀1顶部的另一侧,或者在高速排气阀3及负压吸气阀1顶部的另一侧都安装一个微量排气阀而成为四孔排气阀。所述微量排气阀2包括第二阀体201、第二阀盖202、第一浮球203、杠杆组件204、固定支架205、阀瓣206和微量排气孔口207。在正常运行时,利用浮球浮力和杠杆组件的联合作用,微量排气孔口207在压力状态下及时将水(液)中释放的空气排出管外,所述第一浮球203设于第二阀体201的腔室内,与杠杆组件204连接。所述第二阀盖202上另设有一个开孔和1#堵头208,可用于必要时人工放气、放水或者人为冲洗;阀盖螺栓与高速排气阀的阀盖螺栓之间可以设置薄片绑带503,用于微量排气阀2与高速排气阀3之间的捆绑固定,增加阀组刚性;微量排气阀2的底部开口设有2#堵头210,该堵头也可以配置调节套筒502,使之向下延伸定位于第一阀盖102上的一个固定位置,增加整个阀组的刚性和抵抗人为踩踏的能力。
在所述高速排气阀3的第三阀体301的上部圆形侧面上开有1#小孔312,可以连接2#压力表313,用于监控空管充液时的孔口压差;第三阀体301底座圆形侧面上另开有2#小孔311,用于连接微量排气阀2或其它外部连接。所述高速排气阀3内设置第二浮球305,其上下两端分别设有上导向定位杆308、下导向定位杆307,允许第二浮球305上下移动改变高速排气孔口309过流面积;动力式不怕吹堵特性允许在系统内建立起较高而且合适的气体压力,使之成为充水(液)时液柱前进的背压阻力,从而自动而适当地降低液柱的充液速度,并使之达到合适的数值;所述第二浮球305通过导向杆上下双向全程精确导引,其竖向自由活动而横向被精确限制,横向摆幅被大幅减小,既避免了横向撞击,更能保证坐合时精确对位,关闭严密。所述后置调节阀4为孔口压差调节控制阀,位于高速排气孔口309的出口端,高速排气孔口309比高速吸气孔口106小,从而大幅度降低高速排气阀3的整体尺寸。所述共用阀座303下端孔口成圆锥形,其与密封圈304一起构成圆形线性密封形式,形成金属硬密封+橡胶软密封双层复合密封形式。所述高速排气孔口309小于高速吸气孔口106,系统内的气体的排出流量大幅降低,从而在高速进气又高速排气时能够临时截留一部分空气,形成临时性的弹性气囊,再加上二个内置式气囊,能够缓冲弥合水柱的撞击能量,降低水柱弥合加速度,抑制空腔弥合水锤升压,进出空气的孔口直径之比达到1.5:1~5:1,也就是进出面积之比达到2:1~25:1;顶部后置调节阀4还允许在系统空管充液完成后人为关闭,在关闭后,其高速进排气比例将在原来基础上大幅度提高,最高可以达到40000:1。所述第一阀盖102上端设有人工泄气阀115,该人工泄气阀也可以作为人工放水阀或者冲洗阀。所述微量排气阀2的孔口尺寸在1mm~25mm之间。所述第一阀体101与中央导管104之间形成一个微量排气的死角,从而构成一个天然的内置式气囊;该内置气囊还可以通过延长中央导管104长度(至安装颈部甚至管道系统内)和第一阀体101圆筒长度或者连接管长度扩大体积;也可以通过扩大负压吸气阀1尺寸扩大内置气囊体积。所述负压吸气阀1中央导管104不但上端定位于吸气阀阀盖,而且在下端由负压吸气阀的中心通孔109导向,确保与水平线垂直并且与第一阀瓣103成垂直角度,中间挖空两端导向的长程导套105能够确保第一阀瓣103在起跳时沿着中心导管104四周平衡均匀上浮,不会倾斜卡阻,顺利启闭;改变第一阀瓣103的重量或者在中央导管104上设置调节弹簧,就可以改变负压开启值,该开启值调节范围在-90000Pa~-10Pa之间。
后置调节阀4可以人为关闭而不影响其它孔口,在人为关闭后置调节阀4后,空气阀组自然形成了一个具有高吸微排功能的弥合水锤抑制器,其高吸微排比例达到100:1~40000:1。所述高速排气窗口403和高速排气孔口309的截面积都远小于高速吸气孔口106的截面积,即使在不关闭后置调节阀4的情况下,也自然形成一个具有高吸中排功能的弥合水锤抑制器,其高吸中排比例达到2:1~25:1。
在第二浮球305直径与高速排气孔口309直径之比由1.45以上下降到1.30左右时,再适当缩小孔口阀座密封圈的夹角至90゜以下,第二浮球305会在压力作用下从下至上被轻微揳进孔口,如图2所示,第二浮球305上部会被孔口阀座密封圈304轻微抱持而不能在压力下降到0以下至轻微负压(如-10Pa~-30kPa)范围内依靠自身重力下落开启,从而实现高速排气孔口309的临时性自动关闭,使由三阀组合而成的三孔排气阀在负压状态这一关键时刻自动具有临时性的很高的进排气孔口比例,进而达到高吸微排抑制弥合水锤的目的。但是浮球的这种临时性轻度抱持很容易在需要重新充液前被顶部人工调节阀压迫掉落。圆形浮球能够承受较高的压力,相对非圆球形阀瓣而言,其耐压能力更高。
当管路空管充液时,水(或液体)在管道内流动,液柱挤压管内空气产生压力,管内空气受液流挤压快速流动并且建立起空气压力,通过负压吸气阀1中央导管104的端口或管壁开孔、经高速排气孔口和后置调节阀4孔口快速排出管外,管内的水(液)流顺利通过管路;借助于空气动力学原理,高速排气阀3的第二浮球305在孔口压差为0kPa~90kPa亚声速范围内不怕吹堵(90kPa以上-声速时也不怕吹堵,但是通常充液时的空气压力到不了这个高值),因此,允许充液时适当提高孔口压差(一般低于34kPa),而这个压差就构成了液柱前进时的背压阻力,充液速度就自然降低下来(一般充水速度不大于0.3m/s),从而实现低速且适速充液、避免爆管,安全充液;若在某些被认为可能会产生水柱弥合的位置,在管路内已经充满水后,应人为关闭出口端后置调节阀4,如果需要第二次充水(液)则可以将后置调节阀4重新打开;或者,将第二浮球305设计成自动关闭高速排气孔口309(浮球被阀座轻微抱持);在第二次充液时利用后置调节阀4人为压迫第二浮球305,使之下落开启后再充液。根据中国工程建设标准CECS 193:2005《城镇供水长距离输水管渠道工程技术规程》第7.1.2条关于:“压力输水管道充水(或其它液体)时,宜控制充液速度不大于0.3~0.5m/s”的要求,以及美国水道协会AWWA M51《关于供水工程空气阀的使用指南》推荐的管道初始充液速度大约1foot/s=0.3m/s的建议,结合本高速排气孔口可以独立选型的特点,本发明技术(独立孔口及不怕吹堵特性)允许选用比吸气孔口小许多(通常2~5级口径尺寸)的高速排气孔口309,从而大幅降低高速排气阀3的尺寸。通常不独立的高速进排气阀必须兼顾高速排气和高速吸气二者要求,而高速吸气口径往往比高速排气口径大许多。
如果因为高速排气孔口选型稍微偏大而导致充液速度稍微偏大时,可以调节出口端后置调节阀4,关小出口通道,适当提高孔口压差,降低充液速度。第三阀体301侧壁上或负压吸气阀1第一阀盖102上都可以安装2#压力表313和1#压力表114,便于现场监控孔口压差和总压差(包括中央导管所产生的气体压差),指导调节阀调节动作和空管充液工作。在充液最后一刻(很关键的时刻-水流淹没安装颈部之后的时刻),也可以通过人为关小后置调节阀4的方式,再进一步的提高孔口压差,进一步地降低水柱浮起浮球的速度,最大程度地减小排气孔口处最后一刻水气转换瞬间的剧烈振动程度,减小关阀水锤。
当管路水流正常流动时,微量排气孔口在压力状态下及时将水中释放的空气排出管外,水流中所释放出来的气体通过负压吸气阀1内的导管进入微量排气阀2的空腔,空腔内的气体逐渐增多,导致微量排气阀2阀内水位下降,当水位下降到第一浮球203中部以下位置时,第一浮球203下落,带动杠杆组件204,打开微量排气孔口207,间歇性地排除聚集在阀体内的空气;微量排气阀2允许选择多种规格的微量排气阀孔口尺寸:从1.6mm、2.4mm、3.2mm、4.8mm、5.6mm到大尺寸的9.5mm、12.7mm和25mm等;依据设计流量和工作压力选择合适的微量排气孔口,保证管线或容器拥有合适的微量排气能力,既提高管线输液效率,降低输液能耗,减少重复建设投资,节能降耗;又有利于选择合适的进出气孔口直径或面积比例,有效抑制可能的空腔弥合水锤(负压水锤或非常水锤)。
在突然停泵、关闭阀门或爆管时,管内某些位置处的液柱可能相互分离,管内出现真空负压,此时外界压强大于内部压强,负压吸气阀1内部第一阀瓣103被外界空气压强挤压,推动第一阀瓣103沿着中央导管104上移,吸气孔打开,空气通过负压吸气阀1的高速吸气孔口106从四周快速进入,使管(系统)内负压降到最低,以保证管路系统管件和密封接口的安全性。
当液柱被水泵驱动或者因重力回流时,原先分离的液柱开始弥合,因为高速排气孔口309比高速吸气孔口106尺寸小2~5级,管内的气体不会在很短的弥合过程持续期间内被高速排除完毕,通常还留有部分气囊,液柱之间有部分气体被临时截留在管内,形成临时弹性气囊,再加上负压吸气阀1上部的天然内置式气囊(该气囊在充液前自然存在,充液过程中保持原样不受影响),液柱弥合的加速度被降低,撞击力被弹性气囊缓冲,从而能部分削减弥合液柱的撞击能量,抑制弥合水锤升压,保护管路安全;高速吸气孔口106与高速排气孔口309的直径之比达到1.5:1~5:1,孔口面积之比达到2:1~25:1;形成所谓的“高吸中排阀”,但是比例不是很高,仅具有一般程度的防止或抑制空腔弥合水锤的作用。
如果在空管充液完成后,人为关断出口端后置调节阀4,则当分离水柱弥合时,管内的气体不能被高速排出,而只能经由孔口很小的微量排气阀2缓慢地排出,液柱之间的绝大部分气体被临时截留在管内,形成更大的临时弹性气囊,液柱弥合时加速度被降低,撞击力被弹性气囊缓冲,从而大幅削减弥合水柱的撞击能量,有效抑制弥合水锤升压,确保管路安全;吸气孔口与微量排气孔口的直径之比达到10:1~200:1,孔口面积之比达到100:1~40000:1;通常,面积之比达到25:1以上即直径之比达到5:1以上被称之为“高吸微排阀”,或者叫“注气微排阀”,再加上二个内置式气囊的缓冲作用,具有明显的防止或抑制空腔弥合水锤的作用。或者,浮球直径或高速排气孔口尺寸或者角度可以被设计成让浮球刚好被水压轻微揳进高速排气孔口,从而在空管充液完成后高速排气孔口被浮球自动关闭,而且在系统压力下降到0至轻微负压状态下浮球也不能依靠自身重力下落开启,也能实现高吸微排抑制弥合水锤的目的。
调节负压开启值:改变第一阀瓣103的重量,或者在中央导管104上设置调节弹簧,就可以改变负压开启值,调节范围大约在-90kPa~-10Pa(表压)之间,通常的负压开启值范围应该在-3000Pa~-500Pa之间。不同的负压开启值可能需要不同级别的弹簧和不同重量的阀瓣组合实现。
避免灰尘吸入:吸气口结构被设计成朝下型上吸式,能够大幅度减少甚至避免灰尘和细小昆虫在阀口堆积从而被吸入输水管道,减少灰尘和可能的生物污染,避免降低供水水质。第三阀盖302及其后置调节阀4组合装置以微小的高度代价换取如下六个附加功能:高质量的后置调节阀4、不影响其它孔口的单一孔口开关控制阀(若影响其它孔口的则为总控制阀)、上部中心导向孔、进一步形成流线型通道后段、因开孔转向而带来的防尘效果以及方便过滤网安装而带来的防止昆虫做窝等功能,集中上述六大功能于一体而代价仅仅是高度增加大约5%。高速排气全程流线型气流通道:从入口至阀盖开孔窗口,气流通道全程呈流线型,很少阻碍和扰动,使浮球阀瓣不受气流扰动影响而避免被提前吹堵;高速排气全程通道的截面积不小于高速排气孔口公称通径截面积;通道入口增加了一段短管,额外增加了气流阻力;需要继续增加阻力的调节阀则位于通道的下游,可以无级调节,有利于逐渐缓慢降低空管充液速度。中间挖空两端导向的长程导套(105)能够确保第一阀瓣(103)在起跳时沿着中心导管(104)四周平衡均匀上浮,不会倾斜卡阻,顺利启闭;改变第一阀瓣(103)的重量或者在中央导管(104)上设置调节弹簧,就可以改变负压开启值,该开启值调节范围在-90000Pa~-10Pa之间。
天然内嵌式局部气囊,就近抑制弥合水锤:负压吸气阀1内排气死角形成内部储气结构。负压吸气阀1内通气导管上不开孔,(需要的话也可以在导管侧面开孔),将高速排气阀3和微量排气阀2的进气通道起端都引导到负压吸气阀1内通气的中央导管104的最下端,将允许部分空气存留在主阀阀体上部空间而不经高速和微量排气阀排出,预留发生局部水锤时水体体积膨胀的空间,抑制可能的局部关阀水锤。必要时也可以延长中央导管104的长度(至安装颈部甚至管道内部),扩大内嵌气囊的体积,增加抑制弥合水锤的效能。在空管充液的最后一刻,气体被高速排除完毕,在孔口处发生水气转化的瞬间,由于水气密度约800倍的巨大差距,将发生液流速度的突然变化,非常容易引发所谓的排气阀关阀水锤而导致爆管。此时,一个就近的局部气囊,将能非常有效的吸纳局部水击能量,大幅抑制关阀水锤。它的功效远超过远距离的其它水锤消除设备。另外,高速排气阀3的上部空间也会在充液完成后逐步积累空气,形成内置气囊,是第二个内置气囊,但是体积稍小,而且形成时间稍微滞后,不像第一个内置气囊那样是天然形成的,而且还会在管线运行过程中逐渐积累空气,保持稳定的空气容积和压力。当微量排气阀2安装于高速排气阀3的下部接口上时,第二内置气囊的体积会进一步增大。
内嵌式防冻结构:内部储气结构能够预留冬天结冰时体积膨胀的空间,减小排气阀被结冰冻坏的可能性。如果因为气体传热特性不及水体而担心因为散热过多而被冻坏,可以人工放气排除存气。在负压吸气阀1顶部边缘有一个孔口,可以安装一个1#压力表114和人工泄气阀115,很方便地实现上述操作。
如附图4所示,所述一体式三孔排气阀阀组也可以在需要时(或当高速吸气孔口远大于高速排气孔口而无法使用二孔式复合排气阀时)分开安装,分成高速排气阀3与注气微排阀(1+2模式);或者二孔复合式排气阀(2+3模式)与高速吸气阀1;甚至三个独立的空气阀,分别安装在一个节点的安装颈部9顶部的二个隔离控制阀7的上部,分别满足高速吸气和中高速排气要求,二个孔口还可以叠加吸气量;其中高速排气阀的接管位置有多种选择:安装在颈部之上;使用延长管12向下延伸到颈部中下部位置;再向下延伸到颈部之下到了主管道内等等,这样,空管充液过程中高速排气阀关闭时,不但吸气阀阀体内有1~2个内置气囊,安装颈部9还留有一个更大的气囊,能够吸纳高速排气阀在空管充液即将完成而快速关闭时可能产生的关阀水锤;如果希望在完成空管充液之后继续保留这个颈部大气囊,以便吸纳管线运行过程中可能产生的局部水锤,则可以将微量排气阀的侧面接口209也通过连接管10和控制阀11延伸到安装颈部9的侧面下缘(同时关闭下部入口,即下接口210),如附图4所示,安装颈部9就可以像集气井一样聚集更多的空气,但是这些空气不会阻碍管线的通水,它位于管线之上,不会对管线液流造成阻碍;这个具有中小型容积的储气罐就成为管线上的一个内置气囊,本身就具有抑制正负压水锤的能力,在配套三孔排气阀后,就成为管线上一个通水通气的中小型压力调节设施,将大大有利于输液管线的压力调节和稳定。该安装颈部的尺寸可以管线公称通径DN为参考,通常其高度和宽度(或直径)选择DN的0.5~5.0倍。
密封圈304阀口密封形式:金属硬密封加橡胶软密封双重复合密封形式,既能在低压下密封,也能保证中压密封。
重要部件主要集中在第一阀盖102上下,打开第一阀盖后,可以在线维修。
人工泄压:由于第一阀体101和第三阀体301内的二个内置气囊的存在,在拆卸阀门前,都需要提前人工泄压,第一阀盖102上的人工泄气阀115和第三阀体301上侧面1#小孔312都可以手动打开。
第二浮球305上导向定位杆308及其导套即调节阀阀杆402的顶部设有一个限位调节螺栓314,能够防止在压力较高时,浮球上浮过度挤压阀座密封圈,既保护阀座密封圈,也防止浮球被阀座抱持。
以上所述仅为本发明的优选实施方式,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其它相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。