CN116989153A - 一种保护锥形阀门阀芯的自然掺气方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种保护锥形阀门阀芯的自然掺气方法和装置属于水利工程高端装备领域。一种保护锥形阀门阀芯的自然掺气方法，包括以下步骤：布置环形掺气坎；布置掺气孔；掺气坎尺寸根据管道直径设置；掺气孔连同各级掺气管。一种阀芯受自然掺气保护的锥形阀，包括以下部分：在锥形阀门的阀芯上设置掺气坎；上述的掺气坎长度为阀门标称直径的1/4~1/6；上述的掺气坎高度为掺气坎长度的1/10；该布置条件下掺气坎对阀门过流能力的影响小于10%；本发明的有益效果在于掺气水流进入阀体后能有效覆盖阀芯表面，包括阀座止水位置，阀门振动量显著下降。

Description

一种保护锥形阀门阀芯的自然掺气方法和装置

技术领域

本发明涉及一种保护锥形阀门阀芯的自然掺气方法和装置，属于水利工程高端装备领域。

背景技术

在流体系统中，作为一种控制元件，工业阀门可以用来调节管道内流体的压力、方向和流量，因此被广泛应用于水利工程、石油化工和市政工程等领域。工业阀门种类繁多，在水利水运工程领域，主要有球阀、闸阀、蝶阀、活塞阀和锥形阀等型式。

固定锥形阀的结构图如图1所示。固定锥形阀内有一个固定的锥体阀芯，一般通过4至6个叶片与阀体固定在一起，锥体阀芯的末端设有密封座，即阀座，阀门的启闭由套筒前后移动来实现，通过改变套筒与阀座之间间隙，来改变阀内流体的过流面积，进而实现对流量的精确控制。

固定锥形阀门的阀芯是重要部件，一旦阀芯遭到破坏，锥形阀门就无法正常运行，若阀座止水损坏则会造成阀门漏水。

在阀门的启闭过程中，由于节流收缩断面的存在，通过断面的流体流速会突增，压力将减小，当流体中某处的压强低于当地温度条件下的饱和蒸气压时，流体内部汽化产生的气泡将不断增长，体积变大，发生空化现象。而当这些在低压区形成的气泡随着流体流动至高压区时，受到气泡内外压力差的作用将会发生溃灭，产生巨大的瞬间冲击力，最高可以达到几百个大气压，使得与之想接触的固体壁面发生剥蚀，即空蚀破坏。空化空蚀破坏是阀门安全高效运行中需要避免的问题。

对于锥形阀门的空化问题，相关研究表明掺气是减蚀的有效措施。也提出了不同的掺气方法：

(1)掺气点位于阀前管壁，缺点是需要使用空压机，且阀前管道压力大、抗压机能耗也非常大，且布置不便；

(2)掺气点位于套筒，掺气覆盖主流外侧，无法覆盖主流内侧，虽然能有效保护不受阀后管道边壁空蚀破坏，但是对阀芯的保护作用有限；

(3)掺气点位于阀后管壁，该方法仅在锥形阀门作为放空阀时使用，作为有压管道阀门时无法实现自然掺气，且掺气水流仅覆盖阀后管道边壁。其具体原因是：当锥形阀门在有压管道作为流量调节阀使用时，阀门前、后均受水压，无法在管道中获得负压，因此也就无法自然吸气。对于这种用于有压管道的锥形阀门的空化空蚀破坏还没有特别有效的工程措施，所以锥形阀门在作为流量调节阀使用时一般仅用于水头差较低的工程。同时为了减免有压管道锥形阀门内部高速水流引起的空化空蚀破坏，采取了一些工程措施包括：

(1)添加扇叶圈、环形导流孔板或喷孔等消能装置来增加锥阀的消能率，阀内水流经过扇叶圈、喷孔后，会形成对冲射流，降低阀门出口射流的流速，降低阀门的初生空化数，该措施减蚀效果有限，不能从根本上抑制空化；

(2)提高锥形阀结构润湿面的抗蚀性能，采用强度更高的材料，降低空蚀破坏产生的不利影响，该措施采用特殊涂层造价高，且空蚀时间长了依然会导致剥蚀破坏；

针对锥形阀门的掺气减蚀方案的不足，工程领域内需要一种自然通气的措施，能保护锥形体阀芯不受空蚀破坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种保护锥形阀门阀芯的自然掺气方法和装置，保护锥形阀门阀芯不受空蚀破坏。

一种保护锥形阀门阀芯的自然掺气方法，包括以下步骤：

1)在阀门锥形体阀芯过流面适当的位置上布置环形掺气坎；

2)紧邻掺气坎下游均匀布置掺气孔；

3)掺气坎尺寸根据管道直径设置；

4)掺气孔连同各级掺气管，最后通过一根主掺气管延伸至阀门外与大气连通。

利用掺气坎下游的负压区与大气压力差实现自然掺气，掺气水流有效覆盖阀芯过流面起到减蚀作用。

上述步骤1)过流面适当的位置是指：对锥形阀门内的流场进行模拟，在阀门全开时，通过流场模拟得到收缩流所处的位置，阀芯掺气坎的起始位置位于收缩流起始处；由于整个阀体是中心对称的，因此掺气坎绕椎体阀芯纵轴线环向布置，实现锥体空化区全覆盖；

上述步骤2)紧邻掺气坎下游均匀布置掺气孔是指掺气孔距离掺气坎的距离不超过1倍的掺气坎高度。

上述的步骤3)掺气坎的设计尺寸：掺气坎长度为阀门直径的1/4～1/6，掺气坎高度为掺气坎长度的1/10，使坎后保持稳定的空腔和满意的流态，减小掺气坎对阀门过流能力的影响，经试验验证，该布置条件下掺气坎对阀门过流能力的影响小于10％。

一种阀芯受自然掺气保护的锥形阀，包括以下部分：

在锥形阀门的阀芯上设置掺气坎；

上述的掺气坎长度为阀门标称直径的1/4～1/6；

上述的掺气坎高度为掺气坎长度的1/10；该布置条件下掺气坎对阀门过流能力的影响小于10％；

上述的掺气坎在纵剖面上是楔形；

上述的掺气坎的纵剖面，其迎水面是等角螺旋线的内曲面，背水面是等角螺旋线的外曲面；

在紧邻掺气坎下游均匀布置掺气孔，掺气孔直径范围为：不大于3mm。

掺气孔在阀芯内部连同，并通过一根主掺气管延伸至阀门外与大气连通。

其中，关于掺气坎尺寸的选择，在各种运行条件下，坎后必须保持稳定的空腔和满意的流态，否则，掺气坎在高速水流经过时将发生分离型空穴，反而导致人为的破坏，设计时，应尽量减小坎高，以减轻射流对阀芯表面的额外冲击。

减压模型试验表明，本发明掺气水流进入阀体后能有效覆盖阀芯表面，包括阀座止水位置，阀门振动量显著下降。

本发明的有益效果在于：

本发明的优点是：(1)可以充分抑制阀芯及阀座止水处的空蚀破坏，保护阀芯及止水装置，避免在使用过程中因为空蚀破坏造成阀芯结构损坏或阀门漏水；(2)掺气坎环向布置，覆盖面积广，可以有效保护阀芯及阀座止水；(3)掺气坎能实现自主掺气，设施简单、易于维护，大大降低了成本和施工难度。

另外本发明中的装置具有如下优点：1)采用环形通气措施，整个阀体的环形范围都会被保护，经试验发现，即使由于气泡的浮力作用产生上浮，但是由于掺气支管分布细密均匀，对阀芯底仍能产生保护。

2)收缩流起始处掺气，掺气水流通过阀门流道，被充分掺混，气泡分散得更小，其受到的浮力作用更加不明显，分散的气泡掺混的更加均匀，并且更好地包裹在空泡周围，吸收空泡溃灭的能量。

锥形阀门的防空化设计一直是一项难题，它直接关系到工程的安全运行，本发明结构简单，运行可靠，大大节约了了工程投资，提高了工程安全性，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的锥形阀的总体纵剖面示意图；

图2是本发明的掺气坎为楔形布置局部放大剖面示意图；

图3是本发明的掺气坎为等角螺线布置局部放大剖面示意图；

图4是本发明的阀芯掺气前后空化噪声强度对比示意图。

21掺气坎，22掺气孔，23掺气支管，24主掺气管。

具体实施方式

实施例一

为了在水力式升船机中使用将锥形阀作为调流阀，需要对其进行保护，具体方法如下：

一种保护锥形阀门阀芯的自然掺气方法，包括以下步骤：

1)在阀门锥形体阀芯过流面适当的位置上布置环形掺气坎；

2)紧邻掺气坎下游均匀布置掺气孔；

3)掺气坎尺寸与管道直径相关；

4)掺气孔连同各级掺气管，最后通过一根主掺气管延伸至阀门外与大气连通。

利用掺气坎下游的负压区与大气压力差实现自然掺气，掺气水流有效覆盖阀芯过流面起到减蚀作用。

上述步骤1)过流面适当的位置是指：对锥形阀门内的流场进行模拟，在阀门全开时，通过流场模拟得到收缩流所处的位置，阀芯掺气坎的起始位置位于收缩流起始处；由于整个阀体是中心对称的，因此掺气坎绕椎体阀芯纵轴线环向布置，实现锥体空化区全覆盖；

上述步骤2)紧邻掺气坎下游均匀布置掺气孔是指掺气孔距离掺气坎不超过1倍的掺气坎高度。

上述的步骤3)掺气坎的设计尺寸：掺气坎长度为阀门直径的1/4～1/6，掺气坎高度为掺气坎长度的1/10，使坎后保持稳定的空腔和满意的流态，减小掺气坎对阀门过流能力的影响，经试验验证，该布置条件下掺气坎对阀门过流能力的影响小于10％。

DN200锥形阀为例。

在固定锥形阀门的阀芯上设置掺气坎21；

所述的掺气坎21长度为阀门标称直径的1/5即40mm；

所述的掺气坎21高度为掺气坎长度的1/10即4mm；该布置条件下掺气坎21对阀门过流能力的影响小于10％；

上述的掺气坎21在纵剖面上是楔形；

在紧邻掺气坎21下游均匀布置掺气孔22，掺气孔直径范围为：直径为2mm，间距为10mm。

在椎体内部焊接直径为10mm的环向掺气支管23，掺气支管23与掺气支孔22连通，掺气支管23由一根主掺气管24通向阀门外部空气中。

实施例二

DN300锥形阀为例。

在固定锥形阀门的阀芯上设置掺气坎21；

所述的掺气坎21长度为阀门标称直径的1/5即60mm；

所述的掺气坎21高度为掺气坎长度的1/10即6mm；该布置条件下掺气坎对阀门过流能力的影响小于10％；

上述掺气坎21纵剖面的迎水面是等角螺旋线的内曲面，背水面是等角螺旋线的外曲面；

等角螺线的方程为：r＝ae^bθ其中迎水面a取值范围为[10,15]，b＝1,背水面a的取值范围为[0.1,5]，b＝1；

在紧邻掺气坎21下游均匀布置掺气孔22，掺气孔直径范围为：直径为1.5mm，间距为10mm。

在锥体内部焊接直径为10mm的环向掺气支管23，掺气支管23与掺气孔22连通，掺气支管23由一根主掺气管24通向阀门外部空气中。

Claims (3)

1.一种保护锥形阀门阀芯的自然掺气方法，包括以下步骤：

1）在阀门锥形体阀芯过流面适当的位置上布置环形掺气坎；

2）紧邻掺气坎下游均匀布置掺气孔；

3）掺气坎尺寸根据管道直径设置；

4）掺气孔连同各级掺气管，最后通过一根主掺气管延伸至阀门外与大气连通；

利用掺气坎下游的负压区与大气压力差实现自然掺气，掺气水流有效覆盖阀芯过流面起到减蚀作用；

上述步骤1）过流面适当的位置是指：对锥形阀门内的流场进行模拟，在阀门全开时，通过流场模拟得到收缩流所处的位置，阀芯掺气坎的起始位置位于收缩流起始处；

上述步骤2）紧邻掺气坎下游均匀布置掺气孔是指掺气孔距离掺气坎的距离不超过1倍的掺气坎高度；

上述的步骤3）掺气坎的设计尺寸：掺气坎长度为阀门直径的1/4~1/6，掺气坎高度为掺气坎长度的1/10。

2.一种阀芯受自然掺气保护的锥形阀，包括以下部分：

在锥形阀门的阀芯上设置掺气坎；

所述的掺气坎长度为阀门标称直径的1/4~1/6；

所述的掺气坎高度为掺气坎长度的1/10；该布置条件下掺气坎对阀门过流能力的影响小于10%；

所述的掺气坎在纵剖面上是楔形；

在紧邻掺气坎下游均匀布置掺气孔，掺气孔直径应满足不大于3mm。

3.根据权利要求2所述的上述的一种阀芯受自然掺气保护的锥形阀，其特征在于：掺气坎的纵剖面，其迎水面是等角螺旋线的内曲面，背水面是等角螺旋线的外曲面；

掺气孔在阀芯内部连同，并通过一根主掺气管延伸至阀门外与大气连通。