CN112524277A - 一种高可调比调节球阀阀芯设计方法及球阀 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高可调比调节球阀阀芯设计方法及球阀，1)在球阀阀芯上沿着阀杆方向做出旋转轴A，根据流道半径r在球阀阀芯上确定M和N两点；2)做出辅助线B，其中，辅助线B与旋转轴A垂直且辅助线B的一端的延长线经过M和N之间的连线的中点，辅助线B的另一端与阀芯外圆周的交点为L；3)根据密封区域确定P点，其中，P点为密封区域正投影与辅助线B的一个交点，且P点为远离M和N端的一个交点；4)在辅助线B上确定Q点，其中，L点位于P点和Q点的中点；5)将M、N和Q点构成的三角形正投影在阀芯上并将投影部分切除掉形成第一切口。能够达到可调比1100:1的超高理想可调比球阀，完全满足某些特殊管路中需要高可调比阀的要求。

Description

一种高可调比调节球阀阀芯设计方法及球阀
技术领域
本发明涉及一种高可调比调节球阀阀芯设计方法及球阀。
背景技术
球阀由于流体阻力小、操作便捷、启闭快速、密封性好和可靠性高等特点，在石化、煤化等条件恶劣的化工业领域中被广泛使用，比如，球阀在石油、煤气等传输通道中起着重要作用，流体传输过程中的运动、停止或者是方向都由球阀的启闭来决定。
从使用区域和功能划分，球阀属于截断阀大类，球阀的主要作用是连接或者阻断管道中介质流动的通道，一般球阀按照球体有无支撑划分为浮动球球阀和固定球球阀：浮动球球阀的球体没有支撑轴，是自由支承在球阀阀座上，浮动球球阀关闭状态时球体受到介质的压力在介质运输方向上有一定程度位移，这使得球阀球体与阀后阀座之间的密封性更加稳靠，但由于球体自身重量和操作转矩的限制，浮动球阀阀口径较小，并对工作流体压力有要求，因此浮动球球阀在中小工业和民用产业得到普遍使用；固定球球阀阀体与阀杆焊接固定或者是有支撑轴，球体不能平移而只能随着轴线旋转，因此固定球球阀适用于高压、大口径场所。
在流程工业生产装置上，经常会遇到一些特殊工况条件，并对球阀的选择带来了很多问题。例如：在同一条管道上要求实现从小流量到大流量输送控制的工况条件，这对球阀选型提出的要求是既要满足在小流量工况下流量或压力的稳定控制，又要适合大流量工况下流量或压力平稳调节。按照通常的球阀选型思路，一般都会考虑采用分程控制回路，即用2台球阀来实现这一目标，但会导致设备投资的增加和工况切换时流量和压力的波动。
其中，调节阀可调比R的计算公式为：
Figure BDA0002808455550000021
其中，Qmax为最大流量；Qmin为最小流量；Kvmax为最大流量系数；Kvmin为最小流量系数；公式中的是调节阀可调流量的下限值，它不等于调节阀全关时的泄漏量。因为一般最小可调流量为最大流量的2-4％，而泄漏量仅为最大流量的0.01-0.1％。
调节阀前后压差保持不变时的可调比，称为理想可调比。
从上述公式可以看出，理想可调比等于Kvmax与Kvmin之比，它反映了调节阀调节能力的大小。如果单从自控角度考虑，希望可调比越大越好，但由于受到调节阀阀瓣结构设计和加工工艺的限制，Kvmin不能太小，一般可调比国内设计取R＝30或R＝50。
虽然公告号为CN2103702U的专利公开了一种球阀，其可调比高达500：1，但仍不能满足某些特殊管路中需要高可调比调节阀的要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种高可调比调节球阀阀芯设计方法及球阀，基于投影变换新型建模设计方法设计阀芯的切口，使得球阀可调比高达1100:1，具体应用时，可根据任意设计变量大小自定义阀芯模型，计算任意通径、偏转角度对应的球阀可调比大小。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种高可调比调节球阀阀芯设计方法，其中，流道半径为r，阀杆方向与竖直方向夹角为θ，阀芯开度为0时对应的区域为密封区域：
1)在球阀阀芯上沿着阀杆方向做出旋转轴A，根据流道半径r在球阀阀芯上确定M和N两点，其中，M和N之间的距离为2r且M和N之间的连线与竖直方向平行，旋转轴A与竖直方向夹角为θ；
2)做出辅助线B，其中，辅助线B与旋转轴A垂直且辅助线B的一端的延长线经过M和N之间的连线的中点，辅助线B的另一端与阀芯外圆周的交点为L；
3)根据密封区域确定P点，其中，P点为密封区域正投影与辅助线B的一个交点，且P点为远离M和N端的一个交点；
4)在辅助线B上确定Q点，其中，L点位于P点和Q点的中点；
5)将M、N和Q点构成的三角形正投影在阀芯上并将投影部分切除掉形成第一切口。
优选，所述阀芯上还设置有第二切口，所述第二切口和第一切口关于阀芯的球心呈中心对称关系。
优选，所述阀芯的外圆周和内腔之间形成空腔结构。
一种球阀，包括阀体、阀芯和阀杆，所述阀杆连接有控制模块，所述阀芯采用上述任意一项所述的一种高可调比调节球阀阀芯设计方法制备而成，所述阀芯通过阀座设置在阀体上且阀芯与阀杆相连，所述阀芯的一端与进口相连通且另一端与出口相连通。
优选，所述阀体为PMMA阀体。
优选，所述阀杆采用上下两段式设计，所述阀杆的上下两段分别与阀芯连接且阀杆和阀体之间设置有填料密封。
优选，所述填料密封为填料环。
优选，所述填料环采用PTFE材料。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种基于投影建模的阀芯切口设计方法，在球阀阀体上采用非传统‘O’型或‘V’型切口，并且与球心呈中心对称的结构，通过特殊的几何切口结构，来最大限度增大阀门可调节区间程度，能够达到可调比1100:1的超高理想可调比球阀，完全满足某些特殊管路中需要高可调比阀的要求。
附图说明
图1是本发明一种高可调比调节球阀阀芯切口绘制原理示意图；
图2是本发明一种高可调比调节球阀阀芯切口形状随开度变化的模拟动态示意图；
图3是本发明涉及的球阀阀芯各不同视图；
图4是本发明涉及的高可调比调节球阀的结构示意图；
附图的标记含义如下：
1：进口；2：PMMA阀体；3：控制模块；4：阀杆；5：填料密封；6：阀座；7：阀芯；8：出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种高可调比调节球阀阀芯设计方法，如图1所示，其中，流道半径为r，阀杆4所在的方向与竖直方向夹角为θ，阀芯开度为0时对应的区域为密封区域，则阀芯切口形状的具体设计方法如下：
1)在球阀阀芯7上沿着阀杆4方向做出旋转轴A，则，旋转轴A与竖直方向夹角为θ。根据流道半径r在球阀阀芯7上确定M和N两点，其中，M和N之间的距离为2r且M和N之间的连线与竖直方向平行，即M和N之间的连线为阀芯全开时的直径。
2)做出辅助线B，其中，辅助线B与旋转轴A垂直且辅助线B的一端(图1中的左端)的延长线经过M和N之间的连线的中点，辅助线B的另一端(图1中的右端)与阀芯7外圆周的交点为L。
3)根据密封区域确定P点，其中，P点为密封区域正投影与辅助线B的一个交点，密封区域正投影与辅助线B有两个交点，其中一个交点靠近M和N端，另一个远离M和N端，而P点为远离M和N端的一个交点。
4)在辅助线B上确定Q点，其中，L点位于P点和Q点的中点，比如，P点距离L点的距离为α，则Q点距离L点的距离也为α。
5)将M、N和Q点构成的三角形正投影在阀芯7上并将投影部分切除掉形成第一切口，辅助线B为三角形MNQ的中线。以图1方向为例，具体正投影时，MX之间的直线和NY之间的直线向前半球投影，XQ之间的直线和QY之间的直线向后半球投影。
在球阀阀芯表面进行特殊切口模型建模，利用平面三角形球面投影转换为球面三角性原理，阀杆角度与铅直方向夹角与流到轨迹线与水平方向夹角相等。由于阀芯设置有进口和出口，因此，优选，所述阀芯7上还设置有第二切口，所述第二切口和第一切口关于阀芯7的球心呈中心对称关系。优选，如图4所示，所述阀芯7的外圆周和内腔之间形成空腔结构，即阀芯7内部设置有与阀杆连接的结构外，其他部分为空心结构，阀芯7的各个视图如图3所示。
如图1所示，在球阀芯正视图大圆面绘制平面三角形MNQ，在球阀阀芯沿密封面旋转工作时，经过流道通道的流体介质根据切口大小而定，当相对开度为0％时，为完全密封状态，只存在0.01％-0.1％的极小泄漏，随着开度越来越大，通过的流体介质流量越大，直到流过流体介质无截流，球阀阀芯流到小圆半径为流道接管半径，不同开度对应切口形状如图2所示。
现保持球阀芯与流道相对运动位置不变，假设阀芯不动，将流道等效成可做回转运动圆柱体，若维持阀芯与流道相对运动趋势不变，阀芯静止，流道模拟运动，则辅助线B可看成流道圆心运动轨迹，辅助线B同时也是三角形的中线。旋转轴A为阀杆方向，其与竖直方向夹角θ，保持辅助线B与旋转轴A垂直。设流道通径为r，设球阀阀芯半径为S，则：
S2＝r2+X2
由于流量系数、可调比的计算需要首先计算不同切口的过流面积，使用球面似均匀格网的剖分理论计算过流面积，由于投影后球面三角形面积的不属于相邻间最短距离连线的典型球面三角形类型，因此面积的求解采用非公式求解方法，这里可以采用正多面体剖分方法，此为现有技术，在此不再赘述。
如图4所述，一种球阀，包括阀体、阀芯7和阀杆4，所述阀杆4连接有控制模块3，控制模块3用于控制阀杆4动作进而控制阀芯的开度，此为现有技术，可采用现有的控制模块3。所述阀芯7采用上述任意一项所述的一种高可调比调节球阀阀芯设计方法制备而成，所述阀芯7通过阀座6设置在阀体上且阀芯7与阀杆4相连。
图4中，阀杆4采用上下两段式设计，所述阀杆4的上下两段分别与阀芯7连接且阀杆4和阀体之间设置有填料密封5。上阀杆提供阀芯转动扭矩，下阀杆起支撑作用，轴向定位球芯，使其避免液压卡紧力带来扭转力矩突增或不能旋转的困扰，优选，所述填料密封5为填料环，填料环可以采用PTFE材料(聚四氟乙烯材料)。
所述阀芯7的一端(图4中的左端)与进口1相连通且另一端(图4中的右端)与出口8相连通，阀体可以采用PMMA阀体2，如图4所示，阀体可以采用两段式设计，左右阀体均采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，俗称‘亚克力’)材料，该材料无色透明，透光率达90％---92％，韧性强，比硅玻璃大10倍以上，具有较高的透明度和光亮度，耐热性好，并有坚韧，质硬，刚性特点，热变形温度80℃，弯曲强度110Mpa左右，非常适合阀芯观测作业。
本发明公开了一种基于投影建模的阀芯切口设计方法，在球阀阀体上采用非传统‘O’型或‘V’型切口，并且与球心呈中心对称的结构，通过特殊的几何切口结构，来最大限度增大阀门可调节区间程度，能够达到可调比1100:1的超高理想可调比球阀，完全满足某些特殊管路中需要高可调比阀的要求。
以上仅为本发明的优选实施例，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者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种高可调比调节球阀阀芯设计方法，其中，流道半径为r，阀杆方向与竖直方向夹角为θ，阀芯开度为0时对应的区域为密封区域，其特征在于：
1)在球阀阀芯(7)上沿着阀杆(4)方向做出旋转轴A，根据流道半径r在球阀阀芯(7)上确定M和N两点，其中，M和N之间的距离为2r且M和N之间的连线与竖直方向平行，旋转轴A与竖直方向夹角为θ；
2)做出辅助线B，其中，辅助线B与旋转轴A垂直且辅助线B的一端的延长线经过M和N之间的连线的中点，辅助线B的另一端与阀芯(7)外圆周的交点为L；
3)根据密封区域确定P点，其中，P点为密封区域正投影与辅助线B的一个交点，且P点为远离M和N端的一个交点；
4)在辅助线B上确定Q点，其中，L点位于P点和Q点的中点；
5)将M、N和Q点构成的三角形正投影在阀芯(7)上并将投影部分切除掉形成第一切口。
2.根据权利要求1所述的一种高可调比调节球阀阀芯设计方法，其特征在于，所述阀芯(7)上还设置有第二切口，所述第二切口和第一切口关于阀芯(7)的球心呈中心对称关系。
3.根据权利要求2所述的一种高可调比调节球阀阀芯设计方法，其特征在于，所述阀芯(7)的外圆周和内腔之间形成空腔结构。
4.一种球阀，包括阀体、阀芯(7)和阀杆(4)，所述阀杆(4)连接有控制模块(3)，其特征在于，所述阀芯(7)采用上述权利要求1-3任意一项所述的一种高可调比调节球阀阀芯设计方法制备而成，所述阀芯(7)通过阀座(6)设置在阀体上且阀芯(7)与阀杆(4)相连，所述阀芯(7)的一端与进口(1)相连通且另一端与出口(8)相连通。
5.根据权利要求4所述的一种球阀，其特征在于，所述阀体为PMMA阀体(2)。
6.根据权利要求4所述的一种球阀，其特征在于，所述阀杆(4)采用上下两段式设计，所述阀杆(4)的上下两段分别与阀芯(7)连接且阀杆(4)和阀体之间设置有填料密封(5)。
7.根据权利要求6所述的一种球阀，其特征在于，所述填料密封(5)为填料环。
8.根据权利要求7所述的一种球阀，其特征在于，所述填料环采用PTFE材料。
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