CN109357023A

CN109357023A - 一种蝶阀

Info

Publication number: CN109357023A
Application number: CN201811278845.1A
Authority: CN
Inventors: 阮军; 金晓宏; 陶登阳; 陈帅杰; 张旭; 黄林祥; 李朝朝
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Wuhan University of Science and Technology WHUST
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-02-19

Abstract

本发明涉及阀门技术领域，公开了一种蝶阀，包括阀体和安装于阀体内的阀板，还包括变径管，变径管包括沿流体流动方向管径逐渐增大的渐扩段，渐扩段的小径端连接阀体且靠近阀板。本发明实施例的蝶阀，通过在阀体后端安装一个包括渐扩段的变径管，流体在流过阀板后在直径逐渐增大的渐扩段内，流速下降，压强升高，可以有效减缓流体向低压强点的回流运动，使阀板附近旋涡强度减弱。另外，由于在渐扩段内流体压强升高，使影响阀板驱动力矩的负压强度变弱，能够有效减弱阀板的驱动力矩。因此，本发明实施例通过对阀板后直管结构进行改进设计，减弱了流体通过阀板后产生的旋涡，优化了阀板开启动态过程中的流场，降低了阀板的驱动力矩。

Description

一种蝶阀

技术领域

本发明涉及阀门技术领域，特别是涉及一种蝶阀。

背景技术

蝶阀作为一种用来实现管路系统通断和流量控制的部件，广泛应用于石油、化工、给水排水等系统管路上，适合于在液体、半流体及固体粉末管线容器上作为调节和节流设备使用，用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动。蝶阀结构简单，主要由阀体和阀板构成，使用中，在蝶阀阀体圆柱形通道内，阀板可围绕旋转轴产生旋转角度为0°至90°的旋转。阀板位于0°时，蝶阀关闭、管道不流通；阀板旋转到90°时，蝶阀处于全开状态。该旋转角度又称为阀板的开度，通过控制阀板的开度，调节控制管道内流体的流动状态。

阀板在任意角度时，阀板两侧承受了流体的分布压强，阀板下游流场会存在一定的负压，形成对阀板的驱动力矩。随着阀板角度不同，压强分布随之变动，于是驱动力矩也就变动。研究表明，蝶阀在一定开度下，特别是小开度情况下，流体通过时，阀板下游流场会形成旋涡，导致管道内流体能耗增加，引起管道气蚀和振动，同时，也增大了维持或调节阀板开度所需的驱动力矩，不利于阀板开度和流体流量的精确控制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是对阀板后直管结构进行改进设计，减弱流体通过阀板后产生的旋涡，优化阀板开启动态过程中的流场和驱动力矩。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种蝶阀，包括阀体和安装于所述阀体内的阀板，还包括变径管，所述变径管包括沿流体流动方向管径逐渐增大的渐扩段，所述渐扩段的小径端连接所述阀体且靠近所述阀板。

其中，所述渐扩段和所述阀板的距离与所述渐扩段的小径端直径比为0.2-1。

其中，所述变径管还包括管径逐渐变小的渐缩段，所述渐缩段的大径端连接所述渐扩段的大径端。

其中，所述变径管还包括直线段，所述直线段设置于所述渐扩段和所述渐缩段之间。

其中，所述渐扩段的渐扩角为15°-60°。

其中，所述渐扩段和所述渐缩段构成摆线型管。

其中，所述摆线型管与所述阀体连接的流体入口处的渐扩角为15°-60°，形成所述摆线型管轮廓摆线的圆半径与所述摆线型管的入口直径比为0.6-1。

其中，所述摆线型管两端管径相同。

其中，所述变径管与所述阀体一体成型。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的蝶阀，通过在阀体后端安装一个包括渐扩段的变径管，流体在流过阀板后在直径逐渐增大的渐扩段内，流速下降，压强升高，相较于现有直管内阀板下游流场负压区的压强有一定程度的恢复，可以有效减缓流体向低压强点的回流运动，使阀板附近旋涡强度减弱。另外，由于在渐扩段内流体压强升高，使影响阀板驱动力矩的负压强度变弱，能够有效减弱阀板的驱动力矩。

附图说明

图1为本发明实施例蝶阀示意图；

图2为本发明另一实施例蝶阀示意图；

图3为现有直管式蝶阀和本发明图2所示实施例蝶阀阀板开度与驱动力矩曲线；

图中：1、阀体；2、阀板；3、渐扩段；4、直线段；5、渐缩段；6、摆线型管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

如图1、图2所示，本发明实施例所提供的蝶阀，包括阀体1和安装于阀体1内的阀板2，还包括变径管，变径管包括沿流体流动方向管径逐渐增大的渐扩段3，渐扩段3的小径端连接阀体1且靠近阀板2。

在现有的蝶阀设计中，阀板2安装于直管中。当流体通过蝶阀阀板2时，由于钝体扰流作用，流体绕过阀板2边缘后会发生边界层分离。边界层分离后，下游气流进行补充，形成反向回流进而生成旋涡。特别是当阀板2开度较小时，气流经过阀板2后速度改变较大，此时的涡街现象明显，形成的旋涡强度较大。旋涡会在阀板2下游流场内不断产生、发展和脱落，导致管道内流体能耗增加，引起管道气蚀和振动；同时，也增大了维持或调节阀板2开度所需的驱动力矩，不利于阀板2开度和流体流量的精确控制。本发明实施例的蝶阀，通过在阀体1后端安装一个包括渐扩段3的变径管，流体在流过阀板2后在直径逐渐增大的渐扩段3内，流速下降，压强升高，相较于现有直管内阀板2下游流场负压区的压强有一定程度的恢复，可以有效减缓流体向低压强点的回流运动，使阀板2附近旋涡强度减弱。另外，由于在渐扩段3内流体压强的升高，使影响阀板2驱动力矩的负压强度变弱，能够有效减弱阀板2的驱动力矩。因此，本发明实施例通过对阀板2后直管结构进行改进设计，减弱了流体通过阀板2后产生的旋涡，优化了阀板2开启动态过程中的流场，降低阀板2的驱动力矩。

渐扩段3可以尽可能靠近阀板2，同时考虑到阀板2的安装距离，渐扩段3和阀板2的距离与渐扩段3的小径端直径比可以设为0.2-1。为了满足蝶阀的安装要求，本发明实施例变径管还可以包括管径逐渐变小的渐缩段5，渐缩段5的大径端连接渐扩段3的大径端，渐缩段5的小径端作为蝶阀的出口，可根据蝶阀的安装要求设置出口直径；本发明实施例变径管还可以包括直线段4，将直线段4设置于渐扩段3和渐缩段5之间，以调节并满足蝶阀整体的安装长度要求。

渐扩段3的管壁径向截面直径是沿流动方向逐渐增大的，为了平滑流体流动，减少流动损耗，在渐扩段3过其轴线的截面内，管壁切线方向与管道轴线所形成的渐扩角的范围可以设置为15°-60°。比如，渐扩段3可以设置为圆台形管，圆台母线与轴线的夹角可以设置为15°-60°。

本发明实施例的蝶阀，由渐扩段3和渐缩段5构成的变径管可以为轴向截面轮廓为摆线形的摆线型管6。根据最速降线原理，流体沿着摆线形轮廓的管道流动不易产生脱流，摆线型管6的轮廓斜率变化更为平稳，更有利于优化阀板2后的流场，减弱阀板2后的旋涡，降低阀板2的驱动力矩，实现对蝶阀阀板2开度和流量的精确控制，并且摆线型结构的引入，使渐缩段5气体流速更加平稳，进一步减弱由于管径减小而导致的气体回流，使得蝶阀阀板2的驱动力矩变化更加平稳。另外，摆线型管6结构在工程上容易实现，具有很高的实用价值。摆线型管6与阀体1连接的流体入口处的渐扩角可以为15°-60°，形成摆线型管6轮廓摆线的圆半径与摆线型管6的入口直径比为0.6-1。可以使摆线型管6的两端管径相同，将此摆线型管6连接于阀体1后，以保持蝶阀出流口的安装直径不变，减小增加摆线型管6对蝶阀安装的影响，也便于对现有的直管式蝶阀进行直接加装摆线型管6的改进。需要指出，本发明实施例包括摆线型管6在内的变径管与阀体1既可以是组合安装的，这样便于对现有的蝶阀进行结构改进，只需在原有的蝶阀阀体1后加装变径管部分以组成新的蝶阀，本发明实施例也可以是包括摆线型管6在内的变径管与阀体1一体成型的蝶阀。

如图3所示的蝶阀驱动力矩特性曲线，通过Fluent和动网格技术对现有直管式蝶阀和本发明图2所示实施例摆线型管6蝶阀的蝶阀流场和蝶阀运动过程进行了动态数值仿真，以分析蝶阀开启动态过程中蝶阀驱动力矩特性。仿真参数设置为：直管直径D＝1m，L₀＝5D，L₁＝0.4D，L₂＝1.5D，其中，为L₀为本发明实施例蝶阀阀板2前的直管长度，L₁为本发明实施例摆线型管6与蝶阀阀板2的距离，L₂为本发明实施例摆线型管6后直管长度，摆线型管6两端管径均为D；对现有直管式蝶阀，直管直径参数设置为D。若以转轴为Z轴(图中未标出)建立三维坐标系，X、Y轴方向如图所示，此时摆线型变径管上半部分的轮廓曲线的参数方程为：

取a＝0.8D,t∈(t₁,t₂)。

t₁、t₂分别由摆线斜率k₁＝sin(t)/(1-cos(t))＝tanθ和k₂＝sin(t)/(1-cos(t))＝tan(-θ)得出，其中θ＝45°，θ表示摆线型管6与阀体1连接的流体入口处的渐扩角，易得t₁＝π/2，t₂＝3π/2。仿真中，设置管道左边为流体入口，介质为气体，气体来流压力P_in＝0.03MPa，蝶阀从0°开启到90°的时间为30s。

仿真结果表明本发明实施例摆线型管6蝶阀相对于直管式蝶阀，能有效的降低蝶阀阀板2的驱动力矩，从而有利于对蝶阀开度及管道内流量的精确控制。

由以上实施例可以看出，本发明实施例的蝶阀，通过在阀体1后端安装一个包括渐扩段3的变径管，流体在流过阀板2后在直径逐渐增大的渐扩段3内，流速下降，压强升高，相较于现有直管内阀板2下游流场负压区的压强有一定程度的恢复，可以有效减缓流体向低压强点的回流运动，使阀板2附近旋涡强度减弱。另外，由于在渐扩段3内流体压强的升高，使影响阀板2驱动力矩的负压强度变弱，能够有效减弱阀板2的驱动力矩。为了满足蝶阀的安装要求，本发明实施例变径管还可以包括管径逐渐变小的渐缩段5，渐缩段5的小径端作为蝶阀的出口并根据蝶阀的安装要求设置渐缩段5小径端直径；在渐扩段3和渐缩段5之间设置直线段4，以调节并满足蝶阀整体的安装长度要求。变径管也可以为轴向截面轮廓为摆线形的摆线型管6，根据最速降线原理，流体沿着摆线形轮廓的管道流动不易产生脱流，摆线型管6的轮廓斜率变化更为平稳，更有利于优化阀板2后的流场，减弱阀板2后的旋涡，降低阀板2的驱动力矩，实现对蝶阀阀板2开度和流量的精确控制，并且摆线型结构的引入，使渐缩段5气体流速更加平稳，进一步减弱由于管径减小而导致的气体回流，使得蝶阀阀板2的驱动力矩变化更加平稳。另外，摆线型管6结构在工程上容易实现，实用价值高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种蝶阀，包括阀体和安装于所述阀体内的阀板，其特征在于，还包括变径管，所述变径管包括沿流体流动方向管径逐渐增大的渐扩段，所述渐扩段的小径端连接所述阀体且靠近所述阀板。

2.根据权利要求1所述的蝶阀，其特征在于，所述渐扩段和所述阀板的距离与所述渐扩段的小径端直径比为0.2-1。

3.根据权利要求1所述的蝶阀，其特征在于，所述变径管还包括管径逐渐变小的渐缩段，所述渐缩段的大径端连接所述渐扩段的大径端。

4.根据权利要求3所述的蝶阀，其特征在于，所述变径管还包括直线段，所述直线段设置于所述渐扩段和所述渐缩段之间。

5.根据权利要求1-4任一项所述的蝶阀，其特征在于，所述渐扩段的渐扩角为15°-60°。

6.根据权利要求3所述的蝶阀，其特征在于，所述渐扩段和所述渐缩段构成摆线型管。

7.根据权利要求6所述的蝶阀，其特征在于，所述摆线型管与所述阀体连接的流体入口处的渐扩角为15°-60°，形成所述摆线型管轮廓摆线的圆半径与所述摆线型管的入口直径比为0.6-1。

8.根据权利要求6或7所述的蝶阀，其特征在于，所述摆线型管两端管径相同。

9.根据权利要求1所述的蝶阀，其特征在于，所述变径管与所述阀体一体成型。