CN111981156B - 一种具有耐气蚀功能的梳齿型球阀阀芯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有耐气蚀功能的梳齿型球阀阀芯，包括流体通过的阀孔，阀孔的内壁上具有弧形导流面，导流面上设有若干梳齿，梳齿由靠近阀孔前端孔的后部一端出现，呈圆弧型凸起，延伸至后端孔的前部消失，梳齿可以降低阀芯内部高压区的压力，减小进出口压力差，使阀芯内部尽量不出现压力低于液体饱和蒸气压的现象，避免闪蒸和气蚀现象的出现，从而引起阀门噪音、震动及阀门内件损坏的情况发生，以期达到保护膜寿命，降低腐蚀速度，增加阀门的使用寿命；阀孔的前端孔和后端孔半径较大，导流面呈弧形向阀芯内部扩展，在阀芯中心位置最窄；流体在流经阀孔的前端孔时，流体阻力小，压降缓慢，在降压过程中产生空穴现象较少，降低气蚀产生的概率。
Description
技术领域
本发明属于调节阀技术领域，具体涉及一种具有耐气蚀功能的梳齿型球阀阀芯。
背景技术
目前阀门应用越来越广，在不同的应用场合中，通过阀门的介质也不一样，包括通过介质的压力及速度，会导致阀芯在特定场合造成气蚀损坏，气蚀是流体在高速流动和压力变化条件下，与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象。气蚀常发生在阀芯高速减压区，一般在高速减压区形成空穴，空穴在高压区被压破并产生冲击压力，破坏金属表面上的保护膜，而使腐蚀速度加快。气蚀的特征是先在金属表面形成许多细小的麻点，然后逐渐扩大成洞穴。对于一般常用的球阀门来说，气蚀现象发生在流体入口端和出口端，由于阀体内通孔与阀芯之间存在密封圈，阀体内通孔与阀芯通孔之间也存在尺寸变化，因而在尺寸变化处具有压力变化和流速变化，还有阀芯尺寸一般不可能做得很大，所以压力变化和流速变化会发生在整个阀芯内孔中。
虽然之前有相关的阀门专利产品对降低阀门的气蚀做过改进，有效的延长阀门的使用寿命，虽然适合小型、低流速阀门的使用，但在大型化、通用化使用方面不足。另外，相关阀门的设计存在制作工艺麻烦，进而导致生产制造成本过高。除此之外，阀门阀芯结构中存在非流线型设计，这并未从根本上消除或减少气蚀的冲蚀损坏现象。本阀门主要应用于深海石油开采行业，并大量应用于管汇和采油树等大型组件结构中，由于使用的环境比较特殊，维护成本相对较高，因此，在阀门设计当中往往要求结构尽量简单，功能性要强，使用寿命要久，可靠性要高。综合以上阀芯设计当中的因素，在设计中尽量避免阀门进出口位置的过度复杂而影响清管作业，同时要达到减小制造难度，降低生产成本，又能够达到耐气蚀破坏的作用。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种制作简单、成本低、能够减少气蚀损坏的球阀阀芯。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种具有耐气蚀功能的梳齿型球阀阀芯，该阀芯包括流体通过的阀孔，阀孔的内壁上具有导流面，导流面上设有若干梳齿；所述阀孔包括前端孔和后端孔；所述前端孔和后端孔中间的过度区域为导流面，所述导流面呈弧形向阀芯内部扩展，在阀芯中心位置最窄，孔的半径最小；所述梳齿由靠近前端孔的后部一端出现，呈圆弧型凸起，延伸至后端孔的前部消失；所述梳齿的长度B与宽度W之比，梳齿的宽度W与高度H之比，由导流面的半径R1与梳齿的半径R2比值决定，R1与R2比值为2∶1和1.5∶1之间；所述导流面的半径R1由阀芯半径R决定，R与R1比值为5∶9和1∶2之间；所述梳齿的长度B不超过阀芯宽度L；所述阀孔的前端孔的大端与阀芯外球面相贯通，后端孔的大端与另一端阀芯外球面相贯通；阀孔贯穿于整个阀芯内部。
进一步地，所述梳齿横截面呈三角形与圆弧形倒角结合的形状。
进一步地，所述梳齿的数量为2n，3≤n≤6，梳齿呈对称分布，梳齿的数量根据阀门公称直径决定。
进一步地，所述导流面与阀芯构成一体结构，由前端孔开始延伸至后端孔结束。
进一步地，所述阀孔的前端孔为阀门进口，后端孔在阀门另一端，作为阀门出口；流体通过前端孔进入，在导流面和梳齿作用下，经后端孔流出，以此输送介质，并能够减少气蚀发生。
本发明的有益效果如下：本发明能够降低气蚀现象的发生，提高阀芯的抗气蚀能力，本发明在阀孔上设有导流面和若干梳齿，梳齿的设置主要功能是降低高压区的压力，减小进出口压力差，使阀芯内部尽量不出现压力低于液体饱和蒸气压的现象，避免闪蒸和气蚀现象的出现，从而引起阀门噪音、震动及阀门内件损坏的情况发生，以期达到保护膜寿命，降低腐蚀速度，增加阀门的使用寿命；阀孔的前端孔和后端孔半径较大，导流面呈弧形向阀芯内部扩展，在阀芯中心位置最窄；流体在流经阀孔的前端孔时，流体阻力小，压降缓慢，在降压过程中产生空穴现象较少，降低气蚀产生的概率。
附图说明
图1是本发明的球阀立体结构装配示意图；
图2是本发明的球阀阀芯结构正等轴测图；
图3是本发明的球阀阀芯结构X轴剖视图；
图4是本发明的球阀阀芯结构X轴剖面正视图；
图5是本发明的球阀阀芯结构Y轴剖视图；
图6是本发明的球阀阀芯结构Y轴剖面正视图；
图7是本发明的球阀阀芯结构Z轴剖视图；
图8是本发明的球阀阀芯结构Z轴剖面正视图；
图9是X截面流线图；
图10是Y截面流线图；
图11是中心截面流线图；
图12是在相同开度、流量下不同构型阀门的压差比与外部声压级关系曲线图；
图中，1为阀杆、2为阀盖、3为阀座、4为阀芯、5为顶部连接销、6为阀芯外球面、7为阀孔、8为导流面、9为阀孔的前端孔、10为阀孔的后端孔、11为梳齿、12为底部定位销。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所述，球阀通常包括阀杆1、阀盖2、阀座3和阀芯4。
如图2、图3所示，本发明提出的一种具有耐气蚀功能的梳齿型球阀阀芯，包括流体通过的阀孔7，阀孔7的内壁上具有弧形的导流面8，导流面8上设有若干个梳齿11，梳齿11的设置可以降低阀芯内部高压区的压力，减小进出口压力差，使阀芯内部尽量不出现压力低于液体饱和蒸气压的现象，避免闪蒸和气蚀现象的出现，从而引起阀门噪音、震动及阀门内件损坏的情况发生，以期达到保护膜寿命，降低腐蚀速度，增加阀门的使用寿命。阀芯还具有顶部连接销5和底部定位销12。
如图2-图4所示，阀孔7包括两部分：前端孔9和后端孔10，前端孔9为阀门进口，后端孔10在阀门另一端，作为阀门出口；前端孔9和后端孔10中间的过度区域为弧形的导流面8；前端孔9和后端孔10的直径为D，本实施例中，D＝132mm；阀孔7的前端孔9和后端孔10半径较大，开口大，导流面8呈弧形向阀芯内部扩展，在阀芯中心位置最窄，孔的半径最小；整个阀芯通孔呈双曲面型结构，该形状的设置使得流体在流经阀孔的前端孔9时，流体阻力小，压降缓慢，在降压过程中产生空穴现象较少，双曲面形状还可以减小压力差，进而降低气蚀产生的概率；阀孔7的前端孔9的大端与阀芯外球面6相贯通，后端孔10的大端与另一端阀芯外球面6相贯通；阀孔7贯穿于整个阀芯内部。
如图2-图8所示，前端孔9和后端孔10的连接经过一个弧形导流面8，该导流面8与阀芯构成一体结构，由前端孔9开始延伸至后端孔10结束，形成一个弧形过度区域，该导流面8的半径为R1。梳齿11位于导流面8内壁上，其横截面呈抛物线形形状，梳齿11由靠近阀孔前端孔9的后部一端出现，呈圆弧型凸起，其圆弧半径为R2，延伸至后端孔10的前部消失；梳齿11具有一定的长度B、宽度W和最高处高度H，梳齿11的长度B与宽度W之比，梳齿11的宽度W与高度H之比，是由导流面8的半径R1与梳齿11的半径R2比值决定的，导流面的半径R1与梳齿的半径R2比为2∶1和1.5∶1之间比较合适，而导流面的半径R1是由阀芯半径R决定的，R与R1的比值为5∶9和1∶2之间比较合适，这样的比值区间也可以有效地控制梳齿11的宽度W与高度H比例，不至于造成梳齿过长或者过高，使阀芯的贯通性能下降；同时，该比值区间使得流体在流动时，即使产生空穴，梳齿11也会使空穴缓慢破裂，使破裂时冲击力减少，甚至化解较大的破裂时的冲击力。但是，梳齿11的长度B不能超过阀芯宽度L。本实施例中，B＝130mm，L＝166mm，R1＝182mm，R2＝91mm。
如图5、图6所示，梳齿11横截面呈三角形与圆弧形倒角结合的形状，整体呈锥形结构；三角形形状加工容易，在三角形导槽加工的基础上对顶角进行圆倒角加工，可以很好地节约加工成本，并能够完全起到消蚀降压的功能；本实施例中，三角形的顶角夹角α＝40°，顶角倒角半径r＝3mm。
进一步地，梳齿11的长度为B，宽度为W，高度为H，宽度W和高度H在截面夹角α(40°≤α≤45°)(夹角限定)一定的情况下，其值随梳齿的半径R2变化而变化，当R2值小时，长度B、宽度W和高度H的值小；当R2值大时，长度B、宽度W和高度H的值大；梳齿11的宽度W与高度H的比值随截面的弧形半径变化而变化，当这个比值过高导致阀芯内部流道过窄，反而不利于减少气蚀，另外，会增加制造难度，提高生产成本，只有当宽度W和高度H在一定范围内，阀芯才能够起到节流减蚀的效果。
如图5、图6所示，梳齿11的数量为2n(3≤n≤6)，梳齿的数量为偶数且呈对称分布；本实施例中，梳齿11的数量为6个且呈对称分布，β值为60°；梳齿数量的多少对气蚀效果有一定的影响，如果梳齿数量太少，过于稀疏，不能获得较好的降低气蚀的效果，梳齿数目太多，过于密集导致梳齿彼此间隔过小，造成流体在局部产生高速流，不但起不到降低气蚀作用，反而会造成阻塞，影响流体的通过性。因此，在选择梳齿的数量时，要根据阀门公称直径决定。梳齿11利用现有加工设备即可制作，无需使用复杂设备或高端设备增加成本，梳齿11可以有效地消除空穴现象，延长金属表面上的保护膜寿命，而使腐蚀速度减缓，另外，梳齿11的个数还可依据实际阀孔的大小和工矿进一步改进形状和个数。
图9-图11为数值模拟结果对比图，A型阀芯为未改动的基础构型，B型阀芯为带有导流面的构型，C型阀芯为带有导流面和梳齿的构型。从流线图中可以看出，经过改进的阀芯结构，阀芯内部流场有了明显改善：减少了旋涡的产生，有效的改善了流体状态，流体的流线更加均匀，流动更加稳定。
图12是在相同开度、流量下不同构型阀门的压差比与外部声压级关系曲线，可以看出：在相同流量和开度下，基础型阀芯(A型)与理论值基本一致，表明模拟结果的可靠性和准确性，经过改进的阀芯结构(B型和C型)，阀门的外部声压级(LpAe)值降低，噪声得到有效改善；同时，产生气蚀的重要参考值压差比(xFz)值有所提高，由原来A型阀芯的0.27提高至C型阀芯的0.36，改进后，对阀门降噪减少气蚀生成有明显效果。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)
1.一种具有耐气蚀功能的梳齿型球阀阀芯，其特征在于，包括流体通过的阀孔(7)，阀孔(7)的内壁上具有导流面(8)，导流面(8)上设有若干梳齿(11)；所述阀孔(7)包括前端孔(9)和后端孔(10)；所述前端孔(9)和后端孔(10)中间的过度区域为导流面(8)，所述导流面(8)呈弧形向阀芯内部扩展，在阀芯中心位置最窄，孔的半径最小；所述导流面(8)与阀芯构成一体结构，由前端孔(9)开始延伸至后端孔(10)结束；所述梳齿(11)横截面呈三角形与圆弧形倒角结合的形状；所述梳齿(11)的数量为2n，3≤n≤6，梳齿呈对称分布，梳齿的数量根据阀门公称直径决定；所述梳齿(11)由靠近前端孔(9)的后部一端出现，呈圆弧型凸起，延伸至后端孔(10)的前部消失；所述梳齿(11)的长度B与宽度W之比，梳齿(11)的宽度W与高度H之比，由导流面(8)的半径R1与梳齿(11)的半径R2比值决定，R1与R2比值为2∶1和1.5∶1之间；所述导流面(8)的半径R1由阀芯半径R决定，R与R1比值为5∶9和1∶2之间；所述梳齿(11)的长度B不超过阀芯宽度L；所述阀孔(7)的前端孔(9)的大端与阀芯外球面(6)相贯通，后端孔(10)的大端与另一端阀芯外球面(6)相贯通；所述阀孔(7)贯穿于整个阀芯内部，所述阀孔(7)的前端孔(9)为阀门进口，后端孔(10)在阀门另一端，作为阀门出口；流体通过前端孔(9)进入，在导流面(8)和梳齿(11)作用下，经后端孔(10)流出，以此输送介质，能够减少气蚀发生。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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