| 流阻最小的閥門(mén)結(jié)構(gòu)-球閥概述 |
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| 流阻最小的閥門(mén)結(jié)構(gòu)-球閥概述 |
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一、球閥的作用原理
以球體作為關(guān)閉件的閥門(mén)．稱(chēng)為球閥。球閥主要由閥體、閥座、球體、閥桿、手柄或其它驅(qū)動(dòng)裝置組成。圖1-1所示為手動(dòng)球閥結(jié)構(gòu)圖。球閥的主要功能是切斷或接通管道中的流體通道．即球閥通常為閉路閥。因此，球閥的作用原理很簡(jiǎn)單：藉助手柄或其它驅(qū)動(dòng)裝置在閥桿上端施加一定的轉(zhuǎn)矩并傳遞給球體，使它旋轉(zhuǎn)90°特殊球閥結(jié)構(gòu)例外，球體的通孔則與閥體通道中心線重合或垂直．球閥便完成了全開(kāi)或全關(guān)的動(dòng)怍。如果是三通或四通球閥。它們切換流體通道的功能同樣是籍助球體轉(zhuǎn)動(dòng)90°來(lái)實(shí)現(xiàn)的。球閥的密封原理依其結(jié)構(gòu)而異。常用的球閥結(jié)構(gòu)可分為浮動(dòng)球球閥與固定球球閥兩大類(lèi)。浮動(dòng)球球閥的球體自由支承在閥座上。
在流體壓力怍用下。球體在流體流動(dòng)方向產(chǎn)生位移．使它與閥后閥座密封面更緊密地接觸．即在該密封面上的比壓增大，形成單面密封；同時(shí)，閥前閥座密封面上的比壓相應(yīng)減小，往往不保證密封。在固定球球閥中，球體具有上、下轉(zhuǎn)軸．被固定在球體的軸承中。因此，球體的位置固定，流體壓力不能使它產(chǎn)生位移。可是，閥座卻是浮動(dòng)的，它們藉助于彈簧或流體推力壓向球體，建立密封比壓。因而固定球球閥可根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)出三種密封結(jié)構(gòu)，閥前閥座密封、閥后閥座密封、閥前閥后閥座密封。本書(shū)將在第3、4章對(duì)上述密封結(jié)構(gòu)以及受力分析進(jìn)行詳細(xì)介紹和討論。
二、球閥的特點(diǎn)
球閥是本世紀(jì)50年代問(wèn)世的一種新型閥門(mén)。在短短的30多年里，球閥已發(fā)展成為一種主要的閥類(lèi)，它在航天、石油化工、長(zhǎng)輸管線、輕工食品、建筑等許多方面都得到了廣泛的應(yīng)用。這是因?yàn)椋蜷y與其它閥類(lèi)相比，具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，受到人們的歡迎。球閥的主要特點(diǎn)如下：
1流體阻力小 球閥一般有縮徑和不縮徑通道兩種結(jié)構(gòu)。無(wú)論那種結(jié)構(gòu)，球閥的流阻系數(shù)都比較小。特別是所謂全流量型，即不縮徑的球閥，由于其通道直徑等于管道內(nèi)徑，局部阻力損失只有同等長(zhǎng)度管道的摩擦阻力，即在所有閥門(mén)中，這種球閥的流阻最小。在火箭發(fā)射及其試驗(yàn)系統(tǒng)中，要求輸送管道的阻力越小越好。減少管路系統(tǒng)的阻力有兩個(gè)途徑：一是降低流體流速，為此需要增大管徑和閥門(mén)通徑，這對(duì)于管路系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性往往會(huì)產(chǎn)生不利的影響，特別對(duì)低溫輸送系統(tǒng)液氫是極為不利的；一是減小閥門(mén)的局部阻力，因此，球閥自然就成了最佳選擇。
2開(kāi)關(guān)迅速、方便。由于球閥在一般情況下只需手柄轉(zhuǎn)動(dòng)90°就完成了全開(kāi)或全關(guān)動(dòng)作，很容易實(shí)現(xiàn)快速啟閉。
3密封性好。目前，絕大多數(shù)球閥的閥座都是用聚四氟乙烯等彈性材料制造，金屬與非金屬材料組成的密封副，通常稱(chēng)為軟密封。一般說(shuō)來(lái)，軟密封的密封性容易保證，而且對(duì)密封表面的加工精度與表面粗糙度要求也不很高。
4壽命長(zhǎng)。由于聚四氟乙烯PTFE或F4有良好的自潤(rùn)滑性，與球體的摩擦磨損小，而且由于球體加工工藝的改進(jìn)，使粗糙度降低，從而提高了球閥的使用壽命。據(jù)報(bào)道，美國(guó)W-K-M公司在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)球閥進(jìn)行壽命試驗(yàn)，開(kāi)關(guān)次數(shù)超過(guò)10萬(wàn)次。
5可靠性高球閥的可靠性高主要是因?yàn)椋?nbsp;
①球體與閥座一對(duì)密封副不會(huì)發(fā)生擦傷、急劇磨損等故障；
②閥桿改為內(nèi)裝式后，消除了閥桿在流體壓力作用下可能因填料壓蓋松開(kāi)而飛出的事故隱患；
③采用防靜電、耐火結(jié)構(gòu)的球閥，適用于輸送石油、天然氣、煤氣的管線。
6閥體內(nèi)通道平整光滑更適于輸送粘性流體．漿液，以及固體顆粒。
三、發(fā)展概況與展望
早在19世紀(jì)80年代美國(guó)就開(kāi)始設(shè)計(jì)球閥，但是當(dāng)時(shí)缺乏適當(dāng)?shù)拿芊馊Σ牧希拗屏饲蜷y的發(fā)展，使它未能成為一種正式工業(yè)產(chǎn)品。直到本世紀(jì)50年代，聚四氟乙烯等彈性密封材料的出現(xiàn)才使球閥的產(chǎn)生與發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)；同時(shí)，也由于機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，使球體加工技術(shù)提高，能夠?qū)崿F(xiàn)球體所要求的尺寸精度與表面粗糙度。
目前，球閥最大公稱(chēng)通徑已達(dá)3050mm，這是美國(guó)EscherWyss公司為田納西州的一個(gè)泵站所提供的4臺(tái)球閥，用作透平機(jī)出口的切斷閥，設(shè)計(jì)壓力為4.8MPa。球閥的最高工作壓力已達(dá)72MPa，其相應(yīng)溫度高達(dá)1000℃。
球閥不僅在一般工業(yè)管道得到了廣泛應(yīng)用，而且在核工業(yè)、宇航工業(yè)的液氧與液氫輸送管線上普遍采用。
全塑料球閥近年來(lái)發(fā)展較快。其特點(diǎn)是：耐腐蝕，重量輕，成本低。在水道、化學(xué)管道上應(yīng)用越來(lái)越廣。西德一家閥門(mén)公司已制造通徑為6"的塑料球閥；美國(guó)HillMaccanng公司制成一種含氟塑料球閥，商業(yè)名稱(chēng)為Kynar，據(jù)稱(chēng)具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐溫與耐腐蝕性能，適用溫度為≤250℃。
大口徑輸油或天然氣管線是球閥應(yīng)用的一個(gè)重要方面。公稱(chēng)通徑范圍：600～1400mm，工作壓力通常為8.0MPa。為了確保安全，一些制造廠商都按管線球閥的使用特點(diǎn)和它所受外界自然條件的影響，進(jìn)行抗地震的彎曲試驗(yàn)、防止火災(zāi)漫延的試驗(yàn)、耐氣候條件的綜合試驗(yàn)、緊急切斷試驗(yàn)等。
為了適應(yīng)高溫工況的需要，近年來(lái)還發(fā)展了高溫球閥，它的閥座材料不再是聚四氟乙烯，而是金屬、石墨或碳素纖維等。
一些特殊用途的特殊結(jié)構(gòu)球閥在不斷涌現(xiàn)。如我國(guó)某國(guó)防科研的試驗(yàn)系統(tǒng)上采用了自行研制的三通半球閥，降低了切換閥的流阻并減小了操作轉(zhuǎn)矩。又如美國(guó)Fisher公司生產(chǎn)的V形缺口球閥，用以輸送纖維和紙漿流體。V形缺口球閥還可用于流量的高精度調(diào)節(jié)。
我們可以預(yù)料球閥今后將在以下幾個(gè)方面得到更大的發(fā)展：
1密封面材料聚四氟乙烯F4作為球閥密封面材料已有近30年歷史，但它必定還會(huì)在生產(chǎn)工藝、物理性能主要是克服冷流性、提高耐壓強(qiáng)度、耐溫性能方面進(jìn)一步改善，以提高球閥的性能和適用范圍。耐高溫、耐磨、耐腐蝕的低摩擦系數(shù)的金屬或非金屬密封材料將會(huì)不斷被研制出來(lái)。
2新型結(jié)構(gòu)球閥將會(huì)不斷涌現(xiàn) 其目的主要在于提高壽命、密封可靠性和改善加工工藝性。各種彈性閥座的球閥將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。
3全塑料球閥會(huì)有很大的發(fā)展在新型塑料的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)與注塑工藝性等方面的發(fā)展將會(huì)使塑料球閥的通徑、適用工作溫度與壓力范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。
4長(zhǎng)輸管線球閥會(huì)在遙控、自控、工作可靠性、壽命諸方面得到提高，它們的需要量也會(huì)增加。還會(huì)從輸油氣管線用的球閥發(fā)展到輸送漿液、固體介質(zhì)的長(zhǎng)輸管線用的球閥。 |
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