【正文】 04所研究設(shè)計的電動式水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，說明目前電動式水 哈爾濱 I．程大學(xué)碩士學(xué)位論文 位調(diào)節(jié)器的發(fā)展趨勢“”“”” 。該調(diào)節(jié)裝愛與第一種相比有著顯著的優(yōu)點，該裝 置控制可靠，維修方便，調(diào)節(jié)速度快，靈敏度高，可實現(xiàn)水位的快速 調(diào)節(jié)，在任何工況下都可實現(xiàn)水位的調(diào)節(jié)。因此，必須解決好電動調(diào)節(jié)發(fā)生故障時水位的正 常調(diào)節(jié)這一問題?！啊ｋ? 動式水位調(diào)節(jié)裝置與機械式水位調(diào)節(jié)裝置相比有著顯著的優(yōu)點，并有 逐漸取代機械式水位調(diào)節(jié)裝置的趨勢，但這并不代表機械式水位調(diào)節(jié) 6 哈爾濱 L程大學(xué)碩士學(xué)位論文 裝置不再具有生命力。特別 是在潛艇上，由于潛艇上空氣潮濕，搖擺劇烈等，電動 式調(diào)節(jié)方式的 可靠性和安 全性難以得 到保證， 同時由于設(shè) 備的重要性 ， 一旦發(fā)生故障將直接影響整個系統(tǒng)的正常運行，這些都決定了必須采 用晟穩(wěn)妥的調(diào)節(jié)方式，以此保證在任何工況下都可對水位進(jìn)行正常調(diào) 節(jié)。 因此，可以說電動式水位調(diào)節(jié)器和機械式水位調(diào)節(jié)器將長期共存。 1． 4本課題研究的主要 內(nèi)容 本課題就是研究一種新型的水位調(diào)節(jié)裝置，該水位調(diào)節(jié)裝置與目 前常用的水位 調(diào)節(jié)裝置及 傳統(tǒng)的水位 調(diào)節(jié)裝置 相比，有著 顯著的區(qū)別 。該裝置依靠主冷凝 器內(nèi)水位變化產(chǎn)生一個差壓信號，利用差壓信號驅(qū)動調(diào)控節(jié)流管上下 運動，引起調(diào) 節(jié)閥閥桿的 運動狀態(tài)發(fā) 生變化， 從而帶動閥 頭上下運動 ， 實現(xiàn)控制調(diào)節(jié)閥開度，合理分配通往熱阱和冷凝器的水的流量，維持 主冷凝器內(nèi)的 水位在正常 水位。同時該裝置不存在測量裝置和其它的 附屬 機構(gòu)，使得該調(diào)節(jié)器的實時性和同步性非常好，始終保持主冷凝 器內(nèi)的水位在 正常水位。 該水位調(diào)節(jié)器與以往的水位調(diào)節(jié)裝置有著顯著得區(qū)別。 本課題研究的主要內(nèi)容包括：雙噴嘴一擋板發(fā)訊器的設(shè)計、穩(wěn)壓 器的設(shè)計、執(zhí)行機構(gòu)的選擇和設(shè)計、調(diào)節(jié)閥閥體的設(shè)計和閥芯的形線 設(shè)計等。目前許多水位調(diào)節(jié)裝置的驅(qū)動機構(gòu)都是利用 水位的波動產(chǎn)生一個電位信號，以此來控制執(zhí)行機構(gòu)的運動，這就存 在著這樣的問題，當(dāng)電器組件發(fā)生故障時，該設(shè)備就不能正常工作。只要 主冷凝器內(nèi)的水位一發(fā)生變化，噴嘴的就輸出一個壓差信號，改變調(diào) 節(jié)閥的開度，對水位進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。 穩(wěn)壓器作為調(diào)節(jié)器的動力源，在水位調(diào)節(jié)過程中起著重要的作 用。穩(wěn)壓器的出口水壓可以根據(jù)工作條件的不同自由選擇。 三通調(diào)節(jié)閥是水位調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機構(gòu)，負(fù)責(zé)分配通往熱阱和主冷 凝器的水的流量，進(jìn)而實現(xiàn)水位調(diào)節(jié)的目的。由于節(jié)流管 調(diào)控閥門具有動作速度快，靈敏度高等 特點，使得整個水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作更加安全、可靠、及時。 同時在調(diào)節(jié)閥的設(shè)計過程中，在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上，應(yīng)用了 FLUENT、 ANSYS等 CAE軟件。利用 FLUENT可以預(yù)測調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流場分布，對于優(yōu)化調(diào)節(jié)閥的流 道設(shè)計，減少流動阻力，降低能耗有著重要的意義。在滿足強度要求 的條件下，盡可能降低閥門壁厚，不僅可以節(jié)省材料，降低成本，同 時由于減少了設(shè)備的重量，使安裝、調(diào)試、拆卸和維修都很方便。在“ 01”蒸汽動力裝置 的主冷凝器水位調(diào)節(jié)實驗臺架上進(jìn)行冷態(tài)實驗。 9 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2章 噴 嘴一擋板閥設(shè)計的理論基礎(chǔ) 2． 1概述 噴嘴擋板閥是一種通過改變擋板與噴嘴的距離來改變輸出量的 特殊閥門。噴嘴擋板閥常用于比例閥、 直接式數(shù)字閥、比例變量泵以及一些組合閥的先導(dǎo)控制機構(gòu)。因此，在下面的內(nèi) 容中，將簡要介紹一下噴嘴擋板閥的原理、工作特性、影響因素以及 設(shè)計中重點解決的問題。噴嘴與擋板間的環(huán) 形面積構(gòu)成了可變節(jié)流口。 根據(jù)液流的連續(xù)性方程可得負(fù)載流量 、 Qf， =Q．一 92 (21) 將固定節(jié)流口和可變節(jié)流口的流量方程代入上式可得 姥 =CdoAoJp(肛咒 )一％一， J蓋異 屯’ 式中： Cd。 =z． Dn2； ％一可變節(jié)流口的流量系數(shù)； A，一可變節(jié)流口的通流面積， AI=zDⅣ (x， 0一 X． f)，其中 X。 首先研究切斷負(fù)載時的特性．此時 Q。 1 2 1 、 、 O 8 ＼ 、 0 6 ∞ d／ 0d ＼ 、 O 4 、 、●、 、●、 0 2 ‘ 1k ’ — h 。 利用式 (2— 4)的關(guān)系 Fh(23)可求得壓力靈敏度為 生 dx一磬 dx一旦 X羔n+口 21 ∽ s)、一～ ， 在下列條件下，壓力靈敏度將為最大 旱 (車 )：一生 (1a2)： o(26) aa ax X 即當(dāng) a：旦叢：業(yè)： 1(27) CeoAo CaoAo 時為最大，此時由式 (23)可知 p,(28) P0_P。不但壓力靈敏度最高， 而且控制壓力 P。因此，若將式 (2— 7)的關(guān)系代入式 (2— 2)并進(jìn)行無量綱化 ∽。 3H2”” 。 )時的三個系數(shù)為 孫。 o。詹 (2_13) 由以上各式可以看出，減小零位間隙，可以提高閥的壓力靈敏度 和減小零位泄漏流量，但 X． fo太小對液體污染敏感，容易產(chǎn)生堵塞?？梢蕴岣唛y的流量增益，但會使零位泄漏流量增大。雙噴嘴擋板閥是四通閥，因此可用 來控制雙作用液壓調(diào)節(jié)閥。 Ps— Q1 P1— 0L 去 負(fù) P2 ． P．．． s．．．．．．一．．．．．．．．．．．．．．．．．．． Q．．．．． 3．．．．． P．．．． a．．．．．．．．。 A、／君‘ n— E)一 c礦棚” (x， 0一 o’、／孟鼻 (214)。 V口 ?！?、／孟尸 2一 q。麗 QL幣一爭”景，雁∽㈣ QL+=d赫 =o≦ x_zJ。但是， 這些方程不能用簡單的方法合成一個單一的關(guān) 系式。給定一系列驍值，然后利用式 (2— 16) 和 (2— 17)分別求出對應(yīng)的只和己值，再利用式 (2— 18)的關(guān)系，就可畫 出 Q’ =見 (z， B)的曲線，如圖 2． 5所示： 雙噴 嘴擋 板閥 在擋 板偏 離零 位 時， 一個 噴嘴 腔的 壓力 升高 ， 另一 個噴嘴腔的壓力降低。 當(dāng)滿足 式 (2— 8)的設(shè)計 準(zhǔn)則 時， 只和只 的 平 衡值應(yīng)為 0． 5Ps。和 P。 圖 2． 5雙噴嘴擋板閥的壓力一流量曲線 下面求閥的零位系數(shù)，即在 x， =驍 =B=o和 E=最 =三乓處的閥 系數(shù)。居峨一警 q ∽ 19) △ Q』 xD～ f兩 pSAx， +警蛆 (2_2 o) 將式 (3— 19)和式 (3— 20)相加，并與峨 =媚一蠅合并，則得 △絨 =％柏。．： ／ ／ ：冀 ／ }： ．．．．．．．．．／．．．， ． ．．。．．／‘’．．．．．．． j 1。 ：麓 ‘ 1‘。 1：：：， 6 ／， 噸 0．： 一，．／ 一 1 ,f／ xfo 圖 2． 6雙噴嘴擋板閥切斷負(fù)載時的特性 孫 =A吲 Qt =C．棚?！髯?l。觀 c咿堿 z， 0 J號 (225) 將這些關(guān)系式與單噴嘴擋板閥的相應(yīng)關(guān)系式比較，可以看出，兩 者的流量增益是一樣的，而壓力靈敏度增大了一倍，很明顯這是雙噴 嘴擋板閥差動工作的結(jié)果，這使零位泄漏流量增加了一倍，與單噴嘴 擋板閥相比，雙噴嘴擋板閥由于結(jié)構(gòu)對稱還具有以下優(yōu)點：因壓力變 化而產(chǎn)生的零漂小，即零位工作點的變動?。簱醢逅艿囊簞恿π? 力一流量曲線的對稱性和線性好。我們假定： 1)噴嘴端部 是銳邊的 2)噴嘴與擋板間的距離與噴嘴孔直徑相比是很小的 (通常 z。 =；～去 )a在這些假定條件下，作用在擋板上的液動力是由噴 嘴孔處的靜壓力和射流到擋板上的動量所產(chǎn)生，即 F+=P疊 N+p Q?！ㄟ^噴嘴 iL的流量： v。 壓力 PⅣ可由伯努利方程求出 只 =只一二 I∥ Ⅳ 2 (2～ 27) 代入式 (226)可得 F。 (2— 28) 噴嘴孔斷面上的平均流速可由下式求出， 礦：盟：魚堡墮 !二立叢 !塑壘 1山： — 4C． (X： ox： — )厄 p)ea堿／ 4 (2— 29) DⅣ 將此式代入式 (2— 28)，則 得㈣小學(xué) I ∽ s。在噴嘴與擋板之間 的間隙 (x。當(dāng)擋 板間隙 (x。當(dāng) 擋 板偏離噴嘴的距離較大時，作用在擋板上的液動力僅由射流動量所決 定，此時液動力可達(dá)噴嘴被關(guān)死時的液動力的兩倍，但是，這樣大的 距離在擋板閥中是不會碰到的，因為一個優(yōu)良的設(shè)計要求，這個準(zhǔn)則 使式 (2— 30)中括號里的第二項比 1要小得多。在 xf=O及 哈爾濱 L程大學(xué)碩士學(xué)位論文 Pa=12n的零點處求式 (226)的導(dǎo)數(shù)值，可得零位液動力剛度為 剿： _4以；脅 腫 出， l ” (2吲 ) 這種負(fù)剛度具有一種不穩(wěn)定的作用，因此要求驅(qū)動擋板的動力源 具有較大的正剮度來與之相抵償。 作用在單噴嘴擋板閥上的不平衡液動力，要求系統(tǒng)有一個微小穩(wěn) 態(tài)誤差以使操縱元件提供一個平衡力。作用在活 塞面積上以阻止產(chǎn)生誤差。 下面我們研究雙噴嘴擋板閥上的液流作用力。每 一個噴嘴在擋板上所 產(chǎn)生的液動力可由式 (2— 30)求出， 即一 J168。式中第二項 近似 為射流動量所產(chǎn)生的液動力。擋板的運動方程可寫為 乃 =以孑 d20+勘警 +KaO+(F1一砂 (2136) 式中 T。 因為 p角很小，可以認(rèn)為 tan療：三￡。： +吃 A+降 (8碼覡。 ㈣ l， 2 、 7 。 )。因 為在方 程中 所包含 的負(fù) 載壓差 P。 2． 5噴嘴擋板閥的設(shè)計 噴嘴擋板閥的設(shè)計比較簡單，參數(shù)的選擇計算主要是確定噴嘴直 徑 D。和固定節(jié)流 口直徑 D0。由式 (2— 22)可求出噴 嘴直徑為 D?！?Ca： x、 [Ps／ p 通常 D。 零位間隙的最大值可以這樣確定：使噴嘴面積比噴嘴和擋板間的 哈爾濱』程大學(xué)碩 +學(xué)位論文 環(huán)形節(jié)流面積充分大，以保證環(huán)形節(jié)流面積是可控的節(jié)流口，避免產(chǎn) 生流量飽和現(xiàn)象。芹。 在 D。確定以后，由式 (23)可求得固定節(jié)流口直徑為 Do=2‘ iCa％。 8時， DN／ D。實際上，平衡壓力只。值范圍為 1． 62(c礦 DNx， 0／ Cdo)“ 2到 2． 48(c0DⅣ x， 0／ Cao)1”。 由于銳邊節(jié)流口具有可預(yù)計的特性并且對溫度變化不敏感，因此 為人們所歡迎。通常采用短管型節(jié)流孔作為固定節(jié)流口， 其長度與直徑的比一般為 2～ 4。要比銳邊節(jié)流口大，其 范圍一般為 0． 8～ 0． 9。實驗結(jié)果表明， c。的大小有關(guān)，如圖 39所示。當(dāng) L／ x。因此，噴嘴前端 應(yīng)盡可能做得尖銳些，三／ x。這樣，不但使流 量系數(shù) 對溫度的變化不敏感，其特性可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測，而且可以減小作 用在擋板上的液動力；由噴嘴前端厚度所引起的液動力，由于液流的 不穩(wěn)定而使作用在擋板上的液動力變化不定、難于預(yù)計。／ c。舯 1。本章還介紹了噴嘴一擋板閥的不平衡液動力對噴嘴 一擋板閥穩(wěn)定性的影響。、擋板的零位間隙 x。 啥爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3章 調(diào)節(jié)閥設(shè)計的理論基礎(chǔ) 3． 1概述 調(diào)節(jié)閥又稱控制閥，是過程控制系統(tǒng)中用動力操作去改變流體流 量的裝置。通過調(diào)節(jié)閥的 動作 ，可以對溫度、壓力、流量、液位等四大熱工參數(shù)進(jìn)行控制。執(zhí)行機構(gòu)起推動作用，而閥是 調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分，與介質(zhì)直接接觸，在執(zhí)行機構(gòu)的推動下，改變閥 芯與閥座之間的流通面積，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的作用。執(zhí)行機構(gòu)按類型可以分為：電動、氣動、 液動或者這三者的任意組合。其中又以電動調(diào) 節(jié)閥和氣動調(diào)節(jié)閥在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用最多” 1“” 3。 3． 3調(diào)節(jié)閥口徑的選擇 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇主要包括兩部分：閥座口徑的選擇、閥門公稱 直徑的選擇。調(diào)節(jié)閥 通徑確切說是調(diào)節(jié)閥閥座的直徑，而不是與管道相連接的公稱通徑， 切忌按照實際的管道直徑直接選擇調(diào)節(jié)閥的規(guī)格。閥選擇過大，將使閥門工作在小開度位 置，降低調(diào)節(jié)質(zhì)量，甚至引起系統(tǒng)震 蕩；選擇過小，則不能滿足最大 設(shè)計流量的要求，使操作