球閥設(shè)計(jì)大致過(guò)程.docx

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1、 本科課程設(shè)計(jì) 題 目： 過(guò)程流體機(jī)械課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 過(guò)程裝備與控制工程 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 二O一六年七月  目 錄 摘 要 I 第一章 工作原理和設(shè)計(jì)方法 1 1.1 工作原理 1 1.2 設(shè)計(jì)方法 1 1.2.1 球閥結(jié)構(gòu) 1 1.2.2 球閥材料 2 1.2.3 閥體 3 1.2.4 球體 4 1.2.5 閥桿 4 第二章 球

2、閥尺寸計(jì)算6 2.1 閥體 6 2.2 閥桿 6 2.2.1 閥桿尺寸 6 2.3 球體尺寸計(jì)算 6 2.4 密封比壓 6 2.5 球閥轉(zhuǎn)矩 9 2.6 法蘭螺栓校核 10 2.7 法蘭選型 11 第三章 數(shù)值模擬計(jì)算方法 12 3.1 數(shù)學(xué)模型12 3.2 網(wǎng)格劃分13 3.3 邊界條件14 3.4 CFD使用步驟14 第四章 管道內(nèi)流體模擬結(jié)果分析 15 4.1 球閥在不同相對(duì)開(kāi)度時(shí)的速度分析 15 4.2 球閥在不同相對(duì)開(kāi)度時(shí)的壓力分析 16 4.3 球閥在不同

3、相對(duì)開(kāi)度時(shí)的流量系數(shù)分析 17 第五章 總結(jié) 參考文獻(xiàn) 摘要 本學(xué)期過(guò)程流體機(jī)械，我組所做課程設(shè)計(jì)為V型球閥。V型球閥屬于固定球閥，也是單閥座密封球閥，調(diào)節(jié)性能在球閥中比較有優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)說(shuō)明根據(jù)已知的球法者及經(jīng)驗(yàn)對(duì)DN100mm,PN 1MPa的球閥進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括了材料選擇，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尺寸計(jì)算，強(qiáng)度校核，三維建模，CFD數(shù)值模擬分析等。并且，盡量式結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足其工藝要求的前提下，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。 本設(shè)計(jì)中，根據(jù)老師給定的數(shù)據(jù)和已知條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行選材。設(shè)計(jì)期間用到了solidworks進(jìn)行三維建模，并建立了流道圖，用到了gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃

4、分，設(shè)置邊界條件，用fluent進(jìn)行對(duì)不同開(kāi)度時(shí)的流道進(jìn)行壓力和速度分析并獲得相應(yīng)云圖。通過(guò)以上軟件完成對(duì)V型球閥的分析計(jì)算。并未以后的相應(yīng)工作打好相應(yīng)的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尺寸計(jì)算，強(qiáng)度校核，數(shù)值分析 第一章 工作原理及設(shè)計(jì)方法 1.1 工作原理 具有與截止閥相同的旋轉(zhuǎn)90度提動(dòng)作，不同的是旋塞體是球體，有錐形通孔或通道通過(guò)其軸線(xiàn)。當(dāng)球旋轉(zhuǎn)90度時(shí)，在進(jìn)、出口處應(yīng)全部呈現(xiàn)球面，從而截?cái)嗔鲃?dòng)。球閥的主要特點(diǎn)是本身結(jié)構(gòu)緊湊，易于操作和維修，適用于水、溶劑、酸和天然氣等一般工作介質(zhì)，而且還適用于工作條件惡劣的介質(zhì)，如氧氣、過(guò)氧化氫、甲烷和乙烯等。球閥閥體可以是整

5、體的，也可以是組合式的。V型球閥是中央有通孔的球作開(kāi)關(guān)的閥門(mén)，傳統(tǒng)上分為浮動(dòng)V型球閥和軸耳固定V型球閥兩種。浮動(dòng)V型球閥的開(kāi)關(guān)球經(jīng)閥座密封對(duì)接在閥體中轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到通孔與通道口對(duì)準(zhǔn)時(shí)為全通，轉(zhuǎn)動(dòng)到通孔與通道口成一定角度時(shí)為全閉。 浮動(dòng)V型球閥的開(kāi)關(guān)球通過(guò)槽與操作閥桿相連，在介質(zhì)壓力作用下，可相對(duì)閥桿或閥體浮動(dòng)在下游閥座上，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)閉密封。軸耳固定V型球閥的開(kāi)關(guān)球通過(guò)以閥桿為軸的軸耳固定在閥體上，在介質(zhì)壓力作用下，不可相對(duì)閥體浮動(dòng)，只能通過(guò)上游閥座的浮動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉密封。因此，浮動(dòng)V型球閥的閥座可以是固定閥座，軸耳固定V型球閥的閥座是浮動(dòng)閥座?？偨Y(jié)：V型球閥座的結(jié)構(gòu)和性能可通過(guò)閥座的截面基準(zhǔn)等邊三

6、角形來(lái)控制和調(diào)整，因此，凡V型球閥座皆可按等邊三角截面法設(shè)計(jì)，首先按結(jié)構(gòu)和性能基本需要確定其截面基準(zhǔn)等邊三角形，然后以截面基準(zhǔn)等邊三角形為截面要素、截面成分或截面輪廓確定閥座截面，最后按具體需要選擇材料。實(shí)際上，按等邊三角截面法設(shè)計(jì)，V型球閥座和開(kāi)關(guān)球一同變得極易標(biāo)準(zhǔn)化，而一旦標(biāo)準(zhǔn)化后，V型球閥座和球的設(shè)計(jì)僅在于按介質(zhì)和介質(zhì)壓力簡(jiǎn)單確定材料。（等邊三角形截面法） 1.2 設(shè)計(jì)方法 1.2.1 球閥結(jié)構(gòu) 1.2.2 球閥材料 球閥材料根據(jù)公稱(chēng)壓力選用，由球閥設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)查得可選 灰鑄鐵 HT 150 。如圖示： 閥體選用HT150 σL=21.5 MPa σW=4

7、0MPa τ=11MPa 1.2.3 閥體 閥體為二分式閥體，法蘭連接，材料為HT150 設(shè)計(jì)初始條件 口徑：25mm 壓差：5000Pa 進(jìn)口壓力：0.1MPa 公稱(chēng)壓力PN=1MPa 閥體壁厚設(shè)計(jì)： tB=5.892mm 所以 附加余量c = 5mm 所以tB=6mm 1.2.4 球體 確定球體直徑: 對(duì)于通孔球徑，球體半徑一般按R=（0.8～0.95）d計(jì)算 對(duì)小口徑R取相對(duì)大值，反之取較小值為了保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后，須按下式校核: Dmin=D22-d2 R=24mm 根據(jù)以上可選球徑為R

8、=24mm,A=10mm,H=6mm。 1.2.4 閥桿 閥桿的確定可由球體的直徑來(lái)確定，由球體直徑D=48mm，查閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)可選閥桿： 第二章 球閥尺寸計(jì)算 2.1 閥體 口徑：25mm 壓差：5000Pa 進(jìn)口壓力：0.1MPa 公稱(chēng)壓力PN=1MPa tB=5.892mm 所以 附加余量c = 5mm 所以tB=6mm 2.2 閥桿 2.2.1 閥桿尺寸： 由上述方法可計(jì)算： 對(duì)于球徑R=24mm的球，可選用閥桿尺寸為：d=12mm, SR=50mm, h=5mm, d0=16mm, b=8mm。

9、 2.3球體尺寸計(jì)算： 根據(jù)1.2.4可計(jì)算得球體的尺寸： 對(duì)于通孔球徑，球體半徑一般按R=（0.8～0.95）d計(jì)算 對(duì)小口徑R取相對(duì)大值，反之取較小值 。 為了保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后，須按下式校核 Dmin=D22-d2 R=24mm 根據(jù)以上可選球徑為R=24mm,A=10mm,H=6mm。 2.4密封比壓確定 當(dāng) qMF

10、878 l2=R2+DMN24=19.49 n=l1-l2=1 閥座平均直徑: Dm=DMW+DMN2=26.5 液體對(duì)密封面的作用力:Q=π4Dm2P=551.26 N 實(shí)際比壓：q=4Qπ(DMN2-DMW2)=4.42MPa 閥座密封面寬度：bm=l1-l22-(DMW-DMN)2=1.80 mm 對(duì)于聚四氟乙烯，其系數(shù)a=1.8 c=0.9 ，所以 qMF=3.38MPa 綜上 滿(mǎn)足要求。 2.5球閥的轉(zhuǎn)矩計(jì)算 球體與閥座密封面間的摩擦力矩， F——球體與閥座之間的密封力，F(xiàn)=N,N=Q/COSΦ（N）; r——摩擦半徑 R

11、1+cosφ2=21.99mm R——球體半徑=24mm φ為密封面對(duì)求中心的斜角； T——球體與密封圈之間的摩擦系數(shù)，查表得=0.04。 則Mm=NTr=727（Nmm） 2.5.1閥體螺栓設(shè)計(jì): 1）操作情況 由于流體靜壓力所產(chǎn)生的軸向力促使法蘭分開(kāi)，而法蘭螺栓必須克服此種端面載荷，并且在墊片或接觸面上必須維持足夠的密緊力，以保證密封。此外，螺栓還承受球體與閥座密封圈之間的密封力作用。在操作情況下，螺栓承受的載荷為: WP=F+FP+Q 式中 WP——在操作情況下所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩（N）； F——總的流體靜壓力（N），

12、F=0.785DG2P； FP——連接接觸面上總的壓緊載荷（N）,=2πbDGmP； Q——載荷作用位置處墊片的直徑（mm） 墊片選用 GB9126.2-88 內(nèi)徑Di=34mm D0=51mm 厚度 t=1mm DG=(Di+D0)/2=42.5mm 墊片的有效密封寬度 m=2.25 比壓 y=15MPa 寬度 b=8.5mm 則將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入可得螺栓工作載荷WP=F+FP+Q=7325.48（Nmm） 2.6中法蘭螺栓校核 外部法蘭由之前的數(shù)據(jù)由閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-16查德 選系列代號(hào)1級(jí)法蘭。

13、 液體對(duì)密封面作用力QMJ=π4DM2P=551.26 N 螺栓預(yù)緊力可求得：Q1=π4qminDMN2-DMW2=249.631 N 球閥密封力Q= Q1+QMJ=800.89 N 設(shè) h=1mm 且 R=24mm DJH=58mm DMN=25mm DMW=28mm cosφ=KR=l1+l22R=0.833 φ為密封面對(duì)求中心的斜角 Wa:預(yù)緊螺栓時(shí)所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩； Y：墊片或法蘭接觸面上的單位壓緊載荷； Q1：預(yù)緊力 其強(qiáng)度校核可由公式：Wa=πbDGY+Q Wa=3.14*8.5*42.5*15+249.63=17273.135KN

14、 根據(jù)公稱(chēng)壓力以及所受的預(yù)緊力和尺寸，從GB 6188-2008選用等級(jí)3.6級(jí)，碳鋼，M8螺栓，預(yù)選4個(gè)，以下進(jìn)行校核： 由公式：σL=WA<σL, W取Wa與Wp之間較大值； A=4*3.14*4^2=3768 σL=107301.653768=85.9095MPa< σL=180MPa 所以所選螺栓滿(mǎn)足其強(qiáng)度要求，校核成功。 2.7 法蘭選型 根據(jù)球徑48mm，選擇法蘭外徑為115mm的端法蘭，其螺栓孔中心直徑85mm，螺栓孔徑選14mm，螺栓選取M12，因?yàn)楣Q(chēng)壓力比較小，所以選取4個(gè)即可（其強(qiáng)度在上面也已經(jīng)校核過(guò)，在此不作說(shuō)明)，法蘭厚度16mm。 中面

15、法蘭經(jīng)結(jié)合各種參數(shù)后，可得參數(shù)：法蘭厚度5mm，中面法蘭邊長(zhǎng)160mm，螺栓直徑選M8，4個(gè)，法蘭孔徑為公稱(chēng)直徑85mm。 第三章 數(shù)值模擬分析方法 3.1 數(shù)學(xué)模型（以20% 開(kāi)度為例） 3.2 網(wǎng)格劃分(以80%開(kāi)度為例) 3.3 邊界條件 3.4 CFD-Gambit使用步驟 首先，將solidworks里建立好的流道圖以STEP格式導(dǎo)入到Gambit中去，然后設(shè)定流道尺寸，將流體改為水（液體），選擇k-epsilon(2 eqn)模式。在邊界條件下設(shè)定流體為水，進(jìn)口壓力，水力直徑，出口壓力，水力直徑。在設(shè)置

16、進(jìn)出口為壓力進(jìn)口壓力出口。最后導(dǎo)出mesh文件。 第四章 管道內(nèi)流體模擬結(jié)果分析 4.1 球閥在不同相對(duì)開(kāi)度時(shí)的速度分析 球閥在20%開(kāi)度時(shí)的速度云圖 球閥在 40%開(kāi)度時(shí)的速度云圖： 球閥在70%開(kāi)度時(shí)的速度云圖： 4.2 球閥在不同相對(duì)開(kāi)度時(shí)的壓力分析 16 球閥在20%開(kāi)度時(shí)壓力云圖： 球閥在40%開(kāi)度時(shí)壓力云圖： 球閥在70%開(kāi)度時(shí)壓力云圖： 4.3 球閥在不同相對(duì)開(kāi)度時(shí)的流量系數(shù)分析 17 球閥在20%開(kāi)度時(shí)流量系數(shù)： 球閥在40%開(kāi)度時(shí)流量系數(shù)： 球閥在70%開(kāi)度時(shí)流量系數(shù)： 第五章 總結(jié) 球閥在日常生活中應(yīng)用廣泛，大到石化工業(yè)用閥門(mén)，小到日常生活中的水龍頭，都是球閥。 20