一种提高进排气阀的排气能力的实现方法技术

本发明专利技术公开一种提高进排气阀的排气能力的实现方法，基于进排气阀流线数学模型的建立，针对供水系统进行理论排气量计算、常规进排气阀型号、规格的确定并计算排气流量系数；设计同规格进排气流道为流线型的变截面进排气阀，在排气性能测试平台上测试、记录并计算实际排气量及排气流量系数。试验证明变截面进排气阀排气能力明显提高，这样满足排气要求的前提下可减小其口径和数量，降低投资，提高内元件的抗汽蚀性能，延长使用寿命，解决了进排气阀选型不当造成的爆管事故；首次提出并验证了进排气阀内外压差不同，其排气流量系数也不相同的观点，为我国供水行业选型标准的完善及生产技术标准的制定提供依据，对保障管道安全运行具有重要意义。

A Method of Improving the Exhaust Capacity of Intake and Exhaust Valves

The invention discloses a method for improving the exhaust capacity of the intake and exhaust valves. Based on the establishment of the mathematical model of the intake and exhaust valves streamline, theoretical exhaust volume calculation is carried out for the water supply system, the model and specification of the conventional intake and exhaust valves are determined and the exhaust flow coefficient is calculated. A variable cross-section intake and exhaust valve with streamlined intake and exhaust ports of the same specification is designed and tested on the exhaust performance test platform. Record and calculate the actual exhaust volume and exhaust flow coefficient. Experiments show that the exhaust capacity of variable cross-section intake and exhaust valves is obviously improved, which can reduce their caliber and quantity, reduce investment, improve the anti-cavitation performance of internal components, prolong their service life, and solve the pipe explosion accident caused by improper selection of intake and exhaust valves. It is the first time to put forward and verify that the different pressure difference between intake and exhaust valves leads to different exhaust flow coefficients. The viewpoint provides the basis for the improvement of the selection standard of water supply industry and the formulation of production technology standard, and is of great significance for ensuring the safe operation of pipelines.

【技术实现步骤摘要】
一种提高进排气阀的排气能力的实现方法
本专利技术属于进排气阀的选型领域，具体涉及一种提高进排气阀的排气能力的实现方法。
技术介绍
进排气阀研究始于15世纪60年代左右，近年来，国内外学者从进排气阀的数学模型、防护效果、特性参数和选型规则等方面做了深入研究，大量的研究表明，正确地设计、选择和安装进排气阀是保障长距离输水管线初次充水、事故停机充分进排气的有效解决办法之一。进排气阀具有构造简单、造价低、安装方便、不受安装条件限制等优点，我国目前常见的进排气阀按功能和其运行形式分为3类：高压微量排气阀、低压高速进排气阀以及复合(组合)式进排气阀。复合式进排气阀同时具有高压微量排气阀和低压大量进排气阀的功能，为防止充水速度过快产生水锤，很多复合式进排气阀设有防水锤组件，具备快开缓闭功能及配件。带有缓冲机构的进排气阀，可以避免浮球被气流吹起而使进排气阀突然失去排气能力，从而减小因进排气阀突然关闭造成的高压水锤带来的爆管事故发生。由于进排气阀的计算误差、选型不当致使管线进排气不畅从而造成的爆管事故屡见不鲜。例如西北某市泵站输水管线，管长12km，管径DN1150，最大静压39m水柱，管道上安装3种不同类型的浮球式排气阀，通水运行40天爆管3次，后来实验发现，选用的浮球式排气阀排气量严重不足。据统计华北某大城市一年爆管400多次，西北某市年爆管900多次。因此，如何使进排气阀具有更为充分的进排气量是防止事故发生的重要研究方向。复合式进排气阀是目前最理想的管路水锤防护阀。大孔口大量进排气，小孔口微量排气是复合式进排气阀的基本功能，浮球结构是其主要构件，正常情况下浮球座在浮球托盘上。空管充水时，空气沿着浮球托盘底部向上，从浮球四周通过阀座后排向大气，实现大量排气功能，快速大量排气到设定压力后，再缓慢排放剩余全部微量气体；空气排完后，水进入阀体，浮球在水的浮力下浮起关闭大孔口，小排气口继续排气。管道放空或爆管泄水时，浮球迅速下落，及时吸进空气，破坏管道真空，当有水柱弥合时，缓冲板提前关闭，截流大部分空气在管道内，阀门少量排气，通过空气隔断，防止水柱弥合，从而消除弥合水锤。关闭过程中，由于大小排气孔的压力作用不同，大气孔的浮球先顶起关闭，然后再关闭小孔，延缓全闭过程，缓和水柱再弥合时的压力上升。根据Wylie和Streeter等人及后继者完善研究，可知进排气阀的进排气能力取决于管内外压差、气体温度。其本质是满足压力管路安全运行的进排气要求，因此在压力管道开机、正常运行和事故状态下，进排气阀必须灵活实现进排气功能，这一点是进排气阀设计的根本技术要求。因此，在进排气阀进排气流道绝热过程、等温过程、多变过程分析的基础上，研究流道截面积、气流速度、质量流量、压力、和温度和马赫数的变化规律，才能使得复合式进排气阀进排气流道进排气功能的实现更加充分，进而防护管线安全。管线的安全运行依赖于管线内空气的持续排出。管路中存气有多项危害，其一，降低输水效率，引起输水中断；其二，导致管线产生水锤、气爆，威胁水泵、阀门、管线、计量仪表的运行安全，甚至危及人身安全；其三，引起水表、压力表等计量器具产生测量误差；其四，引起管道和设备的腐蚀和汽蚀等等。其中，液柱分离现象是管道水锤最不利的工况。因此，输水管路的进排气设计越来越引起有关水锤专家和工程设计者的重视。传统进排气阀流道设计技术要求将低压排气过程分为两个阶段：1)低压差时全速排气；2)较高压差时限制排气速度，防止产生弥合水锤，导致管线压力升高；3)消除水锤等特殊工况下因全速排气而加剧的压力波动对系统的冲击。缓冲板(节流装置)安装在进排气阀排气口外部，分级打开或关闭阀瓣口，可以通过调整缓冲板的通气孔的大小来控制管道充水时或水柱弥合的排气量；通过对排气量的控制来减少水力冲击的影响，平稳的关闭进排气阀。阀体流道设计符合CJ/T19、GB/T11719标准规定，阀体通道直径采用全通径设计，阀座孔与阀体通道一致，阀体壁厚符合GB规定，采用SolidWorks、ANSYS进行应力校核。如图1及图2所示，传统进排气阀设计阀体采用圆柱型，管内空气流入阀体后，空气与边界往往分离并且产生旋涡，在旋涡区内部，紊动加剧，同时主流与旋涡区之间不断有质量与能量交换，并通过质量与质点间的摩擦和剧烈碰撞消耗大量机械能，减小了进排气效率，管内空气不能及时排出，管内负压也不能及时破坏，对输水管道的安全运行影响较大；另外，当管内产生负压时，进排气阀浮球动作必然存在延迟，常规流道的汽蚀问题也时有发生，随着运行年限的增加，进排气性能急剧下降，甚至不能动作，严重危及项目安全。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术的不足，提供了一种能提高进排气阀的进排气功能，且使进排气阀的进排气功能的充分实现有可能减小进排气阀口径和数量，以降低工程，并减少进排气阀内部件汽蚀现象，延长进排气阀使用寿命，为压力管道工程安全运行提供保障的提高进排气阀的排气能力的实现方法。本专利技术为了实现上述目的所采用的技术方案是：一种提高进排气阀的排气能力的实现方法，包括以下步骤：基于气体状态参数的机理研究，建立进排气阀流线数学模型；针对每个供水系统，根据进排气阀流线数学模型进行理论进排气量计算，按照规范规定，进行常规进排气阀型号、规格的确定，并计算出排气流量系数；基于排气性能测试平台，记录、计算选取的进排气阀的实际排气量；设计同规格的进排气流道为流线型的变截面进排气阀，并在排气性能测试平台进行安装，基于排气性能测试平台，记录、测试并计算进排气流道为流线型的变截面进排气阀的实际排气量及排气流量系数；在完成同等排气量的条件下，变截面进排气阀选用较小口径。优选的，所述进排气阀流线数学模型如下：当小于1.892时，其中：是管内空气通过进排气阀排气出口时的真实质量流量，Cd为进排气流量系数，即真实质量流量与排出期间管内空气通过进排气阀排气出口时的理论质量流量之间的关系，为管内空气的绝对压力，Av为进排气阀排气出口截面；R为气体常数，Ta为管内的开氏温度，为大气压绝对压力；当大于1.892时，由进排气阀流线数学模型可知，进排气能力与进排气流量系数密切相关，所述进排气能力通过采用进排气阀的空气流道提高排气能力。流动控制方程建立：进排气阀流道内空气流速快，根据连续介质控制方程，建立质量、流量以及能量守恒方程，由于考虑空气的可压缩性以及紊流特性，还包括气体状态方程，紊流流动的特征线方程，基于笛卡尔坐标系，忽略砌体力和热源影响，进行无量纲处理，三维连续介质控制方程方程的守恒形式如下：式中：Q为守恒量；E、F、G为流通量；下标v为粘性通量，表达式如下：式中：ρ为气体密度；u、v、w为x、y、z方向的流速；e为单位质量的内能；P为压强；q为能量通量；Re为雷诺数；τ为应力张量，且等于层流与紊流剪应力之和；各方向上的剪切应力如下：式中：为层流剪应力；为紊流剪应力；k为湍动能；由热传导引起能量通量公式如下：式中：μl为分子粘性系数；μt紊流粘性系数；Prl为普朗特数；Prt为紊流普朗特数；T为温度；γ为气体比热比；Ma∞为来流马赫数；为模拟变截面进排气阀的进排气流道流线特性，采用RNGk-ε模型进行数据处理。进一步地，所述变截面进排气阀包括具有低压大量进排气功能的大孔口进排气装置、具有预防冲击水锤和弥合水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高进排气阀的排气能力的实现方法，其特征在于，基于气体状态参数的机理研究，建立进排气阀流线数学模型；针对每个供水系统，根据进排气阀流线数学模型进行理论进排气量计算，按照规范规定，进行常规进排气阀型号、规格的确定，并计算出排气流量系数；基于排气性能测试平台，记录、计算选取的进排气阀的实际排气量；设计同规格的进排气流道为流线型的变截面进排气阀，并在排气性能测试平台进行安装，基于排气性能测试平台，记录、测试并计算进排气流道为流线型的变截面进排气阀的实际排气量及排气流量系数；在完成同等排气量的条件下，变截面进排气阀选用较小口径。

【技术特征摘要】
1.一种提高进排气阀的排气能力的实现方法，其特征在于，基于气体状态参数的机理研究，建立进排气阀流线数学模型；针对每个供水系统，根据进排气阀流线数学模型进行理论进排气量计算，按照规范规定，进行常规进排气阀型号、规格的确定，并计算出排气流量系数；基于排气性能测试平台，记录、计算选取的进排气阀的实际排气量；设计同规格的进排气流道为流线型的变截面进排气阀，并在排气性能测试平台进行安装，基于排气性能测试平台，记录、测试并计算进排气流道为流线型的变截面进排气阀的实际排气量及排气流量系数；在完成同等排气量的条件下，变截面进排气阀选用较小口径。2.根据权利要求1所述的提高进排气阀的排气能力的实现方法，其特征在于，所述进排气阀流线数学模型如下：当小于1.892时，其中：是管内空气通过进排气阀排气出口时的真实质量流量，Cd为进排气流量系数，即真实质量流量与排出期间管内空气通过进排气阀排气出口时的理论质量流量之间的关系，为管内空气的绝对压力，Av为进排气阀排气出口截面；R为气体常数，Ta为管内的开氏温度，为大气压绝对压力；当大于1.892时，由进排气阀流线数学模型可知，进排气能力与进排气流量系数密切相关，所述进排气能力通过采用进排气阀的空气流道提高排气能力。3.根据权利要求2所述的提高进排气阀的排气能力的实现方法，其特征在于，所述进排气阀的空气流道的流动控制方程建立：进排气阀流道内空气流速快，根据连续介质控制方程，建立质量、流量以及能量守恒方程，由于考虑空气的可压缩性以及紊流特性，还包括气体状态方程，紊流流动的特征线方程，基于笛卡尔坐标系，忽略砌体力和热源影响，进行无量纲处理，三维连续介质控制方程的守恒形式如下：式中：Q为守恒量；E、F、G为流通量；下标v为粘性通量，表达式如下：式中：ρ为气体密度；u、v、w为x、y、z方向的流速；e为单位质量的内能；P为压强；q为能量通量；Re为雷诺数；τ为应力张量，且等于层流与紊流剪应力之和；各方向上的剪切应力如下：式中：为层流剪应力；为紊流剪应力；k为湍动能；由热传导引起能量通量公式如下：式中：μl为分子粘性系数；μt紊流粘性系数；Prl为普朗特数；Prt为紊流普朗特数；T为温度；γ为气体比热比；Ma∞为来流马赫数；为模拟变截面进排气阀的进排气流道流线特性，采用RNGk-ε模型进行数据处理。4.根据权利要求1所述的提高进排气阀的排气能力的实现方法，其特征在于，所述变截面进排气阀包括具有低压大量进排气功能的大孔口进排气装置、具有预防冲击水锤和弥合水锤功能的缓冲装置，所述大孔口进排气装置的底部与缓冲装置连接。5.根据权利要求4所述的提高进排气阀的排气能力的实现方法，其特征在于，所述大孔口进排气装置包括截面由小-大-小组成全通径的排...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建华，郭伟奇，王丽，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14