某給水泵再循環(huán)閥的設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15249某給水泵再循環(huán)閥的設(shè)計(jì)案例 1262231.1給水泵功能介紹 121981.2再循環(huán)閥工作條件 27821.3再循環(huán)閥設(shè)計(jì) 4218341.3.1再循環(huán)閥流量計(jì)算與初步設(shè)計(jì) 4177931.3.2再循環(huán)閥閥體設(shè)計(jì) 4106191.3.3再循環(huán)閥閥瓣設(shè)計(jì) 7159831.3.4再循環(huán)閥閥蓋設(shè)計(jì) 9163431.3.5再循環(huán)閥螺栓設(shè)計(jì) 11128051.3.6再循環(huán)閥套筒設(shè)計(jì) 121.1給水泵功能介紹給水泵一般都是離心泵，而離心泵作為一種通用機(jī)械，已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。在人們的日常生活中，如城市生活用水的供應(yīng)和輸送；冬季供暖系統(tǒng)熱水循環(huán)；衛(wèi)生設(shè)備的熱水供應(yīng)；小型工業(yè)鍋爐給水；即使蒸發(fā)數(shù)百公斤的小型鍋爐的給水也無(wú)法與離心泵分離。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，從大井抽水，農(nóng)田灌溉和排水。離心泵主要用作從河流和湖泊取水的抽水站的動(dòng)力設(shè)備。如下圖圖1所示，為多級(jí)降壓給水泵的模型示意圖。圖4.多級(jí)給水泵模型在石化行業(yè)，各種類型的離心泵廣泛用于輸送酸、堿和鹽溶液、原油、液體石油產(chǎn)品和其他液體化工原料。在中型化工廠中，有幾十臺(tái)離心泵在工作，在長(zhǎng)距離輸油管道中有十幾臺(tái)甚至幾十臺(tái)離心泵在夜以繼日地連續(xù)運(yùn)行。冶金系統(tǒng)鋼鐵廠采用離心泵作為冷卻水泵，礦山隧道采用多級(jí)離心泵排除積水。此外，在水利和煤礦系統(tǒng)的供水、造紙廠的紙漿輸送、城市污水站的污水輸送以及機(jī)械制造商的供水中，離心泵也是不可或缺的。在電力生產(chǎn)中，火力發(fā)電廠使用大量離心泵作為動(dòng)力設(shè)備。 1.2再循環(huán)閥工作條件本文以中核蘇閥科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的最小流量再循環(huán)閥為支撐對(duì)象。該閥門主要用于火力發(fā)電廠或核電站的給水泵管道，其工作條件見(jiàn)表1。表1.最小流量閥工作條件工作條件表工藝介質(zhì)FluidName水流體狀態(tài)FluidState液態(tài)工作溫度℃104質(zhì)量流量t/h15閥前壓力MPa5.5壓差MPa1.5表1.調(diào)節(jié)閥數(shù)據(jù)表調(diào)節(jié)閥數(shù)據(jù)表閥門型式直通式型號(hào)KA-50E10FC閥體口徑（mm）50閥座通徑（mm）32公稱壓力（MPa）10連接方式DN50PN10MF閥體材質(zhì)WCB閥芯材質(zhì)1Cr13閥座材質(zhì)1Cr13泄漏等級(jí)IV流量特性等百分比閥蓋形式標(biāo)準(zhǔn)填料PTFE額定行程40制造廠而下圖則為工作管路流程圖[5]。從圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)閥門被安裝在了給水泵出口支管的上面，連接到除氧器。給水泵把水從除氧器里面吸出來(lái)送到鍋爐。而且為了防止給水泵發(fā)生過(guò)熱或者氣蝕的現(xiàn)象，要求給水泵的流量在任何情況下都一定不能小于同一個(gè)規(guī)定的安全流量，俗稱最小流量。如果所需的鍋爐給水流量很小，則需要快速打開(kāi)最小流量閥，將部分高溫高壓水從泵出口返回脫氯裝置，以確保給水泵的安全運(yùn)行。因此，最小流量閥長(zhǎng)期處于高溫高壓的工作環(huán)境中，對(duì)閥門本身造成很大的損壞，最小流量閥的設(shè)計(jì)必須相當(dāng)嚴(yán)格，必須保證其安全運(yùn)行。此外，由于閥門的幾何尺寸較小且流速較高，因此也是管道系統(tǒng)中受影響最大的故障區(qū)域。圖5.最小流量閥工作管路圖1.3再循環(huán)閥設(shè)計(jì)1.3.1再循環(huán)閥流量計(jì)算與初步設(shè)計(jì)（1）流量計(jì)算再循環(huán)閥設(shè)計(jì)中的第一個(gè)參數(shù)是閥門CV（全稱：閥門系數(shù)），它是指當(dāng)閥門完全打開(kāi)且在室溫下進(jìn)出口壓差為1psi時(shí)，每分鐘通過(guò)閥門的流量。（1psi=6.895kPa。）參照標(biāo)準(zhǔn)ISAS75.01，得到了設(shè)計(jì)的再循環(huán)閥的流量計(jì)算基本過(guò)程，《閥選型的流量公式》[6]。（2）材料、基本內(nèi)徑的選擇據(jù)工況要求（設(shè)計(jì)閥前壓力5.5MPa，壓差1.5MPa，工作溫度104℃），選用閥門的主要材料為鑄鐵WCB，考慮到其制造的工藝上的難度，使用澆鑄類型較為穩(wěn)妥且經(jīng)濟(jì)，在很大程度上鑄鐵也有較好的力學(xué)性能用于閥的制造和使用，同時(shí)在使用壽命上也有不錯(cuò)的表現(xiàn)。應(yīng)條件中最大流量15t/h的要求，把閥門內(nèi)腔的基本內(nèi)徑選定為50mm。 1.3.2再循環(huán)閥閥體設(shè)計(jì)閥體材料的機(jī)械性能應(yīng)計(jì)算為鑄鐵材料的脆性材料。鋼材應(yīng)按塑料計(jì)算。脆性金層材料危險(xiǎn)狀態(tài)的評(píng)估以裂紋（斷裂）的出現(xiàn)為特征。在計(jì)算min-body的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)以強(qiáng)度極限h為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)最大拉應(yīng)力理論的第一強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算。閥體材料的機(jī)械性能應(yīng)按鑄鐵材料的脆性材料計(jì)算，鋼材應(yīng)按脆性材料計(jì)算。對(duì)脆性金屬材料危險(xiǎn)狀態(tài)的判斷以裂紋（斷裂）的出現(xiàn)為特征。在計(jì)算Min-body的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)以強(qiáng)度極限h為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)第一強(qiáng)度理論-最大拉應(yīng)力理論進(jìn)行計(jì)算。圖6.閥體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖塑料金屬材料危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)估的特點(diǎn)是殘余變形過(guò)大。在計(jì)算閥體整體強(qiáng)度時(shí)，要以屈服承受極限s為強(qiáng)度一般標(biāo)準(zhǔn)，并參照能量強(qiáng)度理論的第四強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算。本課題的閥體類型采用腰鼓形閥體。對(duì)于這種類型的腰鼓閥體，通常采用低壓和中壓閥門。在薄壁公式中，有時(shí)只計(jì)算具有厚壁公式的鋼制高壓閥。薄壁閥體事實(shí)上由鑄鐵等脆性材料制成的閥體，結(jié)合第一強(qiáng)度理論計(jì)算壁厚：SB=pD式中：DN—閥體中腔最大內(nèi)徑，mm，主要依據(jù)結(jié)構(gòu)需要選定，取50mm；P—設(shè)計(jì)壓力，取公稱壓力PN，MPa，根據(jù)任務(wù)書(shū)給定條件取閥前壓力5.5MPa；SB—閥體的壁厚（添加腐蝕裕量后），mm；σL—材料的許用拉應(yīng)力，MPa查《閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》得WCB的許用應(yīng)力σC—附加裕量，mm。表3.附加裕量C值（mm）SB-CCSB-CC<5521~3026~104>30111~203————————對(duì)于塑料閥體，其壁厚根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算：SB=pD得出SB-C=pDN2此處SB為最小壁厚即tm，再進(jìn)一步得出頸部距L，L值的計(jì)算公式為：L=1.1dtm=1.1×式中：L—從閥體頸部到閥體支管的尺寸，mm；d—閥體中腔內(nèi)徑，mm；tm—閥體中腔內(nèi)徑；d—壁厚，mm。最終，再循環(huán)閥的閥體結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖4.閥體結(jié)構(gòu)與此同時(shí)，使用軟件SOLIDWORKS進(jìn)行三維建模圖5.閥體結(jié)構(gòu)三維圖1.3.3再循環(huán)閥閥瓣設(shè)計(jì)閥瓣是套筒式再循環(huán)閥閥表現(xiàn)其性能十分關(guān)鍵的零部件之一。江南閥門有限公司顧成果先生[7]套筒閥盤由套筒導(dǎo)向，可減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不平衡力和輸出力。套筒閥具有很強(qiáng)的互換性和通用性。廣泛應(yīng)用于明確要求動(dòng)力可控性好、噪聲影響低、汽蝕和汽蝕小、高低溫沖擊形成高壓差的工況。傳統(tǒng)套筒閥瓣的表面結(jié)構(gòu)直接借助套筒導(dǎo)向，導(dǎo)向空擋小，加工精度高。尤其是在高溫下，閥盤容易堵塞和泄漏。本文創(chuàng)新性地將閥瓣應(yīng)用于套筒上，以提高其節(jié)流能力，該結(jié)構(gòu)還具有穩(wěn)定性好、噪音低、氣穴和氣穴小、單座閥泄漏小的特點(diǎn)。關(guān)鍵是徹底緩解閥瓣堵塞，在高溫條件下具有良好的性能。根據(jù)閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)中平板式閥瓣的設(shè)計(jì)厚度計(jì)算公式：Sb=D式中：Sb—閥瓣厚度，mm；Pn—設(shè)計(jì)壓力，MPa；Dmp—密封表面平均直徑，mm；σW—材料的許用應(yīng)力，C—附加裕量，mm。表4.1Cr13的高溫力學(xué)性能熱處理制度[σW]（MPa）φ5（%）硬度HB1000-1050℃淬火（油水冷）700-790℃回火（油，水空冷）≥588≥20≥187其中密封表面平均直徑Dmp=36mm（設(shè)計(jì)給定），Pn=10MPa。得出Sb-C=D將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)代入（1.4）式中得Sb=6.894≈7mm。最終，再循環(huán)閥的閥瓣結(jié)構(gòu)及其尺寸如下圖所示。圖6.再循環(huán)閥閥瓣與此同時(shí)，使用軟件SOLIDWORKS進(jìn)行三維建模圖7.再循環(huán)閥閥瓣三維模型1.3.4再循環(huán)閥閥蓋設(shè)計(jì)閥蓋作為與閥體一樣的承壓件，對(duì)于給水泵的使用安全性也是一樣非常的重要。平板形閥蓋一般用于壓力不高的止回閥上，可分圓形和非圓形兩類。然后根據(jù)圓形平面閥蓋設(shè)計(jì)了本課題中的閥蓋設(shè)計(jì)。圖8.閥蓋結(jié)構(gòu)示意圖由于還要考慮閥蓋螺栓的情況，閥蓋上的安裝螺栓數(shù)量通常為8或10或12?？紤]到閥體的尺寸，選擇8-Φ29均勻分布的螺栓（螺栓材料為1Cr13，M24-M27螺栓常溫許用應(yīng)力為147MPa，按準(zhǔn)GB150《壓力容器》[8]）。閥蓋厚度的設(shè)計(jì)采用下面的兩種不同公式，取較大值。δp=Dc式中：W—設(shè)計(jì)載荷，N；δp—閥蓋的厚度，mm；p—設(shè)計(jì)壓力，MPa；Dc—閥蓋的直徑，mm，取200mm；SG—螺栓中心線至密封壓力中心線的徑向距離，mm；[σ]—材料的許用應(yīng)力，MPa。計(jì)算得，δp1≈46mm。圓形平板閥蓋的大致外形如上圖所示：δp=Dc計(jì)算結(jié)果為：δp2≈46mm。通過(guò)對(duì)比以上兩個(gè)公式的數(shù)值結(jié)果，得到最終的對(duì)比結(jié)果是：δp1<δp2，那么根據(jù)壁厚選取條件，取δp2的值，經(jīng)驗(yàn)表明，適當(dāng)增加安全系數(shù)并圓整后，閥蓋厚度取70mm。與此同時(shí)，使用軟件SOLIDWORKS進(jìn)行三維建模圖9.閥蓋結(jié)構(gòu)三維圖1.3.5再循環(huán)閥螺栓設(shè)計(jì)螺栓與閥蓋一樣，同為承壓件。因此需要綜合考慮其及閥蓋在工況下的安全使用。關(guān)于閥蓋與閥體的連接形式一共有五種，分別是螺紋連接、法蘭連接、夾箍連接、焊接連接以及自緊式密封結(jié)構(gòu)的連接，這五種連接分別對(duì)應(yīng)著不同的工況下閥門的連接形式，本課題由于口徑較小且閥門壓力偏低，故選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且緊湊的傳統(tǒng)形式螺紋連接。在設(shè)計(jì)閥蓋時(shí)，8-φ18均勻分布的螺孔可與1Cr13的M27螺釘相匹配。根據(jù)公式計(jì)算螺栓的尺寸和數(shù)量，結(jié)果滿足工作條件下的強(qiáng)度要求。PcAgA式中：Ab—螺栓抗拉應(yīng)力總有效面積；Ag—由墊圈或O型環(huán)的有效外邊緣或其他墊圈的有效邊緣定義的區(qū)域，環(huán)連接的情況除外，其由環(huán)的斜率直徑確定；K1—65.26，MPa；Pc—壓力額定值磅級(jí)數(shù)；Sa—38℃時(shí)的螺栓許用應(yīng)力。本文中的螺栓按照《閥門使用設(shè)計(jì)手冊(cè)》中直接選取，本文只研究設(shè)計(jì)其位置分布，均勻合理即可。圖10.螺栓在閥蓋上的分布圖1.3.6再循環(huán)閥套筒設(shè)計(jì)節(jié)流套筒作為套筒式再循環(huán)閥最重要的節(jié)流元件，其性能的好壞直接影響到整個(gè)閥門管路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在圓筒的圓孔下面開(kāi)四個(gè)扇形的小開(kāi)口，以增強(qiáng)其流動(dòng)能力?；谘h(huán)閥的流量方程、流量特性方程和開(kāi)度幾何設(shè)計(jì)方程，參與設(shè)計(jì)研究了多孔節(jié)流套的開(kāi)度參數(shù)化設(shè)計(jì)。流量方程[9,10,11]如式（1.8）所示：Q=5.04式中：A1為再循環(huán)閥入口面積，cm2；Δp為再循環(huán)閥入口至套筒最小節(jié)流處壓差，MPa;ρ為流體密度，g/cm3；εi為再循環(huán)閥i開(kāi)度時(shí)的流阻系數(shù)；g為重力加速度，cm/s2；Q為流體流量，cm3/s。定義再循環(huán)閥i開(kāi)度（取100%開(kāi)度）時(shí)的流量系數(shù)Kvi（設(shè)計(jì)給定）如式（1.9）所示：Kvi=5.04A1其中：εi式中：d1為再循環(huán)閥入口直徑，cm;

di和Ai分別為再循環(huán)閥最小節(jié)流處的當(dāng)量直徑和流通面積，單位分別為cm和cm2。在再循環(huán)閥行業(yè)，流量系數(shù)通常由Cvi表示