【正文】 殘差曲線如圖4．8所示：哈爾濱1：程火學(xué)碩士學(xué)位論文。利用fluent6．0解算器進(jìn)行計(jì)算，具體的計(jì)算設(shè)置如下所示：數(shù)據(jù)精度：?jiǎn)尉?方程格式：隱式方程 幾何模型：3D 流場(chǎng)狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 解算器模型：k—e模型 計(jì)算流體：H20(303Ko) 邊晃條件： 速度入口：3．5m／s 自由流出口 迭代初始速度入口 迭代收斂精度：1．Oe一4設(shè)置迭代次數(shù)為1000，開始迭代。在導(dǎo)入過(guò)程中，應(yīng)選擇FLUENT一3D求解器。在本模型中采用的是速度入口(velocity inlet)和自由流出口(outflOR)。在GAMBIT中導(dǎo)入的流場(chǎng)模型如圖4．6所示： 流場(chǎng)模型的采用的是空間四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為401864個(gè)。由于本課題設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)閥是三通，且通往出口的兩 個(gè)腔室流動(dòng)狀態(tài)基本相似，所以只討論在一個(gè)出口完全打開、另一個(gè) 完全關(guān)閉的情況下，流體在流道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)。利 用Pro／ENGINEER不僅可以快速、方便、有效的建立數(shù)學(xué)模型，同時(shí) 還提供了各種輸出格式，可以為各種專業(yè)軟件所應(yīng)用f55l【5酣。 利用fluent進(jìn)行流體計(jì)算，首先要依據(jù)流體所占據(jù)的空間繪制出流道 的模型，從前面三通調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)可以看出，其內(nèi)部流道非常復(fù)雜， 利用fluent自帶的gambit建立模型難度較大，必須采用一種更加先進(jìn) 的、高效的建模工具來(lái)建立流體模型。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成 程序，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效，還可以根據(jù)計(jì)算結(jié) 果調(diào)整網(wǎng)格，網(wǎng)格的這種自適應(yīng)和調(diào)整大大節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，提高了 工作效率。Fluent是目 前工程上常用的cFD軟件，廣泛用于解決傳熱和流體流動(dòng)等問(wèn)題。6．流道設(shè)計(jì)與分析 本課題設(shè)計(jì)的三通調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很難直接判斷閥內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)。在本課題中，采用的是自 能源實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的方式，因而只要保證調(diào)節(jié)的靈敏度就足夠了，對(duì)于其 具體流量特性曲線要求不是很嚴(yán)格。5．閥芯的設(shè)計(jì)閥芯的設(shè)計(jì)一般是在流量試驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合近似計(jì)算或圖解法進(jìn) 行，不能得到精確的理論計(jì)算方法“”“3168。又因?yàn)楣艿乐睆脚c調(diào)節(jié)閥公稱直徑之比為1．25， 小于1．5，所以不需要進(jìn)行管道形狀的修正。=7．19105遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3500，所以不需要進(jìn)行低雷諾數(shù)修 正。利用上述 各參數(shù)可以求得臨界壓力比系數(shù)砟=0．956。為了確定壓力恢復(fù)系數(shù)，將三通調(diào)節(jié)閥簡(jiǎn)化為單座柱塞哈爾濱r程大學(xué)碩士學(xué)位論文閥，通過(guò)表3．1可以確定其壓力恢復(fù)系數(shù)F=O．85，而臨界壓力比系 數(shù)B可以通過(guò)式(2一10)求得。由于兩個(gè) 出口中，通往冷凝器的參數(shù)易于確定，因而將通往冷凝器的開口保持 在全開狀態(tài)。在計(jì)算流量系數(shù)之前，首先要確定閥前后的壓差、流體介質(zhì)的物理參數(shù)以及最大流量等。對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行圓整，查閱 閥門手冊(cè)，確定閥門入口直徑為65mm，出口直徑為85mm。3．調(diào)節(jié)閥口徑的選擇由于設(shè)計(jì)的水位調(diào)節(jié)器試驗(yàn)臺(tái)架搭建在“01”蒸汽動(dòng)力裝置的水 位調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量利用原有的管路接口。這些粒子的存在加劇了對(duì)材料 的腐蝕，因而耐腐蝕性成為材質(zhì)選擇的重要指標(biāo)。本調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境較為優(yōu)良，溫度、壓力對(duì)材質(zhì)選擇的影 響不大。a) b14．4三通調(diào)節(jié)閥的閥體結(jié)構(gòu)42哈爾濱I壤{大學(xué)碩士學(xué)位論文2．材料的選擇 材質(zhì)的選擇也是調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。在水位調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)閥起著分 配通往熱阱和冷凝器的水的流量的作用，決定了調(diào)節(jié)閥必須采用三通 的形式。具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下：1．三通調(diào)節(jié)閥形式的選擇 閥門的選型是閥門設(shè)計(jì)過(guò)程中的第一個(gè)環(huán)節(jié)。在調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)中， 要解決好諸如材料的選擇、流道的設(shè)計(jì)、閥門口徑的選擇、閥座的選 擇、閥芯的選擇、密封等問(wèn)題。在三通調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了調(diào)節(jié)閥的 設(shè)計(jì)理論，通過(guò)對(duì)其主要特性參數(shù)的計(jì)算來(lái)選擇重要尺寸。4．3．4三通調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)三通調(diào)節(jié)閥是水位調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，水位的調(diào)節(jié)最終是靠調(diào)節(jié) 閥的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)工作水源的壓力變化0．1MPa時(shí)，出口壓力的變化值為：心：盟：!：!!!．0．1：0．0013MPa哈爾濱『：程大學(xué)碩十學(xué)位論文所以工作水源的壓力變化范圍為O．1～0．3MPa時(shí)，出口壓力的壓力 偏差仍能保證在177。故工作膜片的有效面積為：F：?jiǎn)?Dz—dl 2)：12．566耐7(4—2)15．穩(wěn)壓閥的特性分析 因?yàn)榉€(wěn)壓閥的工作水源壓力變化較大，故本設(shè)計(jì)著重考慮的是壓力特性，即穩(wěn)壓閥在入13壓力變化較大時(shí)，出口壓力能否穩(wěn)定在設(shè)計(jì) 要求范圍內(nèi)。閥芯型面一般選擇為錐形閥芯““，如圖4．3所示。因此，選擇閥座的直徑d=6ram。在滿足穩(wěn)壓閥進(jìn)出口條件的前提下，穩(wěn)壓閥的設(shè)計(jì)主 要包括以下幾個(gè)方面：1．穩(wěn)壓器形式的選擇 在穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中，考慮到與發(fā)訊器之間的連接，同時(shí)盡可能減少重量、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減少安裝空間，穩(wěn)壓器采用如圖4．2所示的形狀。在 本次設(shè)計(jì)中選用自來(lái)水作為工作水源，即穩(wěn)壓器的入口壓力為 P1=0．2～0．4MPa、流量G=60～160L／h、穩(wěn)壓器的出口壓力為 O．1177。4．3．3穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器主要向發(fā)訊器的上下噴嘴提供O．1177。在本設(shè)計(jì)中，其長(zhǎng)度初哈爾濱l。綜合上述情況，并考慮到加工 條件的限制，選擇節(jié)流管內(nèi)徑為5mm。在節(jié)流管的設(shè)計(jì)中，主要 解決的問(wèn)題是節(jié)流管長(zhǎng)度和內(nèi)徑的選擇。為進(jìn)一步降低節(jié)流管的重力，控制腔室(1)與控制腔室(2)采用 膜片分隔而不是傳統(tǒng)的控制活塞。 調(diào)控節(jié)流管的設(shè)計(jì)，主要是從幾個(gè)方面考慮的：1．要保證節(jié)流管的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力；2．盡量減少節(jié)流管的重量，使得節(jié)流管的重力不要成為改變其 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素；3．節(jié)流管的內(nèi)徑不要太小，否則節(jié)流管易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，同時(shí) 由于下腔室的流體不能及時(shí)流往上腔室，調(diào)節(jié)閥工作過(guò)程中 易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。4．發(fā)訊器的殼體為玻璃圓筒，使得浮子的狀態(tài)一目了然，便于觀 察，但是在密封發(fā)訊器時(shí)又帶來(lái)了其他問(wèn)題，由于采用柔性密封，在 保證密封的情況下，零位間隙難以得到保證，給工作帶來(lái)了一定難度。主要是鑒于鈦合金抗壓強(qiáng)度較高、耐 腐蝕能力強(qiáng)同時(shí)密度較低這些方面的考慮。在本次設(shè)計(jì)中選用直徑 為20mm管路連接。在發(fā)訊器的設(shè)計(jì)過(guò)程中還要特別注意以下幾個(gè)問(wèn)題： 1．發(fā)訊器與主冷凝器相連接的管路不要過(guò)細(xì)，以免造成發(fā)訊器與主冷凝器中的水位不同步現(xiàn)象，進(jìn)而影響水位調(diào)節(jié)的靈敏度。通過(guò)計(jì)算確定節(jié)流孔板前后管道直徑為dP5mm， 節(jié)流孔板直徑Do=1,33ram，噴嘴直徑D。、鼠的選擇工作。所以要在兼顧利害的情況下，做好D。增大噴嘴直徑D?？梢蕴岣邏?力靈敏度和減少零位泄漏量，但是零位間距X。、固定節(jié)流1：3直徑D0的選擇。在這些問(wèn)題中，首要解決的是噴 嘴直徑D。由于 發(fā)訊器實(shí)際上就是一個(gè)噴嘴擋板閥，在它的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用了噴嘴擋 板閥的設(shè)計(jì)理論。4．3水位調(diào)節(jié)器各組成部分的設(shè)計(jì)計(jì)算4．3．1發(fā)訊器的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)的主冷凝器水位調(diào)節(jié)器中，水位調(diào)節(jié)器的測(cè)量環(huán)節(jié)和先導(dǎo) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都集中于雙噴嘴一擋板發(fā)訊器內(nèi)。從 而使調(diào)節(jié)閥的閥頭受到向下的合力，調(diào)節(jié)閥通往冷凝器的開度減小，哈爾濱一．干千11人學(xué)碩十學(xué)位論文通往熱阱的開度變大，主冷凝器的水位逐漸回落，浮子恢復(fù)躉合理位 置，調(diào)節(jié)閥重新處于平衡狀態(tài)【4“。在節(jié)流作用的影響下，上噴嘴輸出到控制腔室(1)的壓力增大，下 噴嘴輸出到控制腔室(2)壓力減小，此時(shí)PjP2。此時(shí)，輸出到控制腔室(1)和控制腔室(2)的水的 壓力大小相等(即Pl=P2=Po)，三通調(diào)節(jié)閥分配到熱阱和主冷凝器的水的流量保持不變，整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。發(fā)訊器 與主冷凝器的汽空間和水空間直接相連，發(fā)訊器的浮子的位置變化直 接反映了主冷凝器的水位變化。在后期的熱態(tài)試驗(yàn)中需對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)哈爾濱1群人學(xué)碩十學(xué)位論文行進(jìn)一步改進(jìn)，拆卸電動(dòng)給水泵和通過(guò)電動(dòng)給水泵的管路，恢復(fù)通往 主冷凝器的蒸汽管路。由于經(jīng)費(fèi)等因素的限制，不能啟動(dòng)整套動(dòng) 力裝置。4．2．2工作原理本水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架是在哈爾濱工程大學(xué)“01”蒸汽動(dòng)力 裝置主冷凝器水位調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上搭建起來(lái)的。該調(diào)節(jié)器采用自能源、純機(jī)械的調(diào)節(jié)方式，綜合了節(jié)流管調(diào)控閥門和噴嘴擋板閥的設(shè)計(jì)特點(diǎn)， 是一種全新的水位調(diào)節(jié)器。所以，必須保證主冷凝器的水位在一個(gè)合理的 范圍內(nèi)，只有這樣才能保證整個(gè)系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。主冷凝器的水位對(duì) 其能否正常工作有重要的意義。 在解決好這麗個(gè)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，即可完成一個(gè)閥門的初步設(shè)計(jì)。 而在閥瓣的型線設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)幾種不同流量特性曲線的對(duì)比，得出 不同流量特性曲線的調(diào)節(jié)性能，選擇在調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)中廣泛使用的直線 特性曲線和等百分比特性曲線就行分析，給出了這兩種特性曲線的關(guān) 系表達(dá)式。重點(diǎn)介紹了調(diào)節(jié)閥 設(shè)計(jì)中呃待解決的調(diào)節(jié)閥口徑選擇和閥瓣型線設(shè)計(jì)這兩個(gè)問(wèn)題。再利用這些數(shù)據(jù)與擬 選定的流量特性曲線進(jìn)行比較，來(lái)修正閥瓣的型線，經(jīng)過(guò)多次的重復(fù) 試驗(yàn)，使之達(dá)到設(shè)計(jì)流量特性的要求。國(guó)內(nèi)外的資料中推薦通過(guò)試驗(yàn)來(lái)修正調(diào)節(jié)閥的 閥瓣型線。調(diào)節(jié)閥的理想流量特性曲線主要取決于閥瓣的幾何形狀和尺寸， 不同的閥瓣型面可以得到不同的理想流量特性。的限制，可調(diào)比不可能太大，一般均小于50。為調(diào)節(jié)閥所能控制的最大的流量和最小流量之比，稱為可調(diào)比。下面對(duì)這兩種流量特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：直線流量特性芒=111+1)爿節(jié)1(1蜣 (3z。拋物線流量特性為了彌補(bǔ) 直線流量特性在小開度時(shí)調(diào)節(jié)性能差的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上派生出的一 種流量特性曲線，其調(diào)節(jié)性能介于直線流量特性和等百分比流量特性 之間。因而快開流量特性常用于兩位調(diào)節(jié)和程序 控制。各種流量特性曲線和相應(yīng)的閥瓣型線如圖3．5 所示：1快開特性曲面 2直線特性曲面 l快開流量特性2直線流量特性3拋物線特性曲面4等百分比特性曲面3拋物線流量特性4等百分比流量特性a) b)圖3．5理想流量特性曲線和相應(yīng)的閥瓣曲面形狀哈自{濱【．程火。調(diào)節(jié)閥的理想流量特性曲線主要取決于閥瓣的幾何形狀和 尺寸，不同的閥瓣曲面可以得到不同的理想流量特性曲線。懈)2]2 ㈦z。一(苦]2 l。阻力系數(shù)卣、島可以利用流體力學(xué)的阻力計(jì)算方法來(lái)求得，一般進(jìn)出口的管道都是較短的同軸漸縮管，系數(shù)點(diǎn)、孝：可以按照下式求得。當(dāng)入口和出口的管道直徑相同時(shí)，乞。一靠： (3—17) 式中 直一閥前的阻力系數(shù)；島一閥后的阻力系數(shù)；。5％的允許誤差范圍內(nèi)，可凡= 麗 (3—16)以用下列公式計(jì)算：式中 Cloo一額定流量系數(shù)；d一閥公稱尺寸，mm： N2一數(shù)字常數(shù)，采用國(guó)際單位制時(shí)為0．0016；∑f一調(diào)節(jié)閥上全部管件的阻力系數(shù)和。兩種安裝情況的流量都是 在不產(chǎn)生阻塞流的情況下測(cè)得的。d雷諾數(shù)幢正系數(shù)F矗 圖3．4雷諾數(shù)修正系數(shù)FR3．3．3管件形狀對(duì)流量系數(shù)的影響調(diào)節(jié)閥閥體的上、下游裝有附接管件時(shí)，必須考慮附接管件形狀眙爾濱上程大學(xué)碩士學(xué)位論文；iii■—■tiiiijiiiiiiii■■自iiiiiii|■■ijiiiii；ii■■■_i；i‘；iiii|■■目ii；；iiiii一111的影響，即管件幾何形狀系數(shù)F，的影響。從圖3．4的雷諾數(shù)修正系數(shù)的曲線中可以看出：當(dāng)雷諾數(shù)Re大 于3500以后，修正量已經(jīng)不大了，所以雷諾數(shù)大于3500就不需要進(jìn) 行低雷諾數(shù)修正。設(shè)校正后的流量系 數(shù)為K。特別是當(dāng)流體的粘性很大時(shí)，此時(shí)的流動(dòng)狀 態(tài)為層流，其流量與閥前后的壓降成正比，而不是與閥前后的壓降的 開方值成正比，這時(shí)若仍然按式(312)計(jì)算K，誤差很大。然而當(dāng)雷諾數(shù)減小時(shí)，有效的B值會(huì)變小。而流量系數(shù)是 在一定的雷諾數(shù)、湍流情況下測(cè)定的。 因而，在閥門的選擇、設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)阻塞流” 。由于阻塞流是伴隨著閃蒸和空化現(xiàn)象的 出現(xiàn)而出現(xiàn)的。(只一斥昂)式中各變量的單位與非阻塞流的情況下保持一致。一流過(guò)調(diào)節(jié)閥的體積流量，單位：m3／h；△P一調(diào)節(jié)閥前、后的壓差，單位：kg／h； p一流體的密度，單位：g／cm3。在出現(xiàn)阻塞流的情況下， 以剛好出現(xiàn)阻塞流時(shí)的壓差△P，作為計(jì)算壓差；在未出現(xiàn)阻塞流的情 況下，以閥前、后的實(shí)際壓差計(jì)算流量系數(shù)。 當(dāng)△PFL2(E一耳B)時(shí)，為非阻塞流情況。 當(dāng) 胛≥FL。只是阻塞流條件下節(jié)流處壓力與閥入口溫度下液體飽和蒸汽壓 力B的比值，是乃與液體臨界壓力只之比的函數(shù)。在調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)計(jì)算中，E，可 以參照表3．1選用” 。各種閥門因結(jié)構(gòu)不同，其壓力恢 復(fù)能力和壓力恢復(fù)系數(shù)也不相同。阻塞流產(chǎn)生于縮流處及其下游。大很多。此時(shí)，若按實(shí)際壓差計(jì)算的QI。介質(zhì)為液體時(shí)，當(dāng)閥前后的壓差降到 足以引起液體汽化(即產(chǎn)生空化和閃蒸現(xiàn)象)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)這種極限 的流量。哈爾濱工程入學(xué)碩士學(xué)位論文從調(diào)節(jié)閥的流量計(jì)算公式可以看出，調(diào)節(jié)閥的流量與閥前、后的 壓差A(yù) P成正比。但是由于存在著相 互摩擦，會(huì)損失一部分能量，閥后的壓力P。實(shí)際情況是：流體流過(guò)調(diào)節(jié)閥，閥 芯與閥座處由于通流面積最小，速度達(dá)到最大，靜壓最小，此后由于 通流面積逐漸增大，流速減小，靜壓逐漸恢復(fù)。、A。流量 系數(shù)可以有不同的形式，采用計(jì)算單位不同，流量系數(shù)的表達(dá)形式和大小有所不同。番=Q√臺(tái) ∽e，圖3．2流體流過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)的壓力和速度的變化關(guān)系c就是流量系數(shù)，與閥芯和閥座的結(jié)構(gòu)、閥前后的壓差以及流體 的性質(zhì)有關(guān)。萬(wàn)A J等3c√等cmⅦ， c。3)，可得調(diào)節(jié)閥的流量公式如下：Q2萬(wàn)A