球閥設(shè)計(jì)大致過程

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 本科課程設(shè)計(jì) 題 目： 過程流體機(jī)械課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 過程裝備與控制工程 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··································

2、······· 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、······························· 3 1.2.4 球體················································ 4 1.2.5 閥桿················································ 4 第二章 球閥尺寸計(jì)算················································6 2.1 閥體······················································· 6 2.2 閥桿···

4、···················································· 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··················································

5、· 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······························

6、·····················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)開度時(shí)的速度分析······························· 15 4.2 球閥在不同相對(duì)開度時(shí)的壓力

7、分析······························· 16 4.3 球閥在不同相對(duì)開度時(shí)的流量系數(shù)分析··························· 17 第五章 總結(jié)······················································· 參考文獻(xiàn)·························································· 專心---專注---專業(yè) 摘要 本學(xué)期過程流體機(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)

8、說明根據(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)格劃分，設(shè)置邊界條件，用fluent進(jìn)行對(duì)不同開度時(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

9、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其軸線。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、過氧化氫、甲烷和乙烯等。球閥閥體可以是整體的，也可以是組合式的。V型球閥是中央有通孔的球作開關(guān)的閥門，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

10、度時(shí)為全閉。 浮動(dòng)V型球閥的開關(guān)球通過槽與操作閥桿相連，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型球閥的開關(guān)球通過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)和性能可通過閥座的截面基準(zhǔn)等邊三角形來控制和調(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

11、等邊三角截面法設(shè)計(jì)，V型球閥座和開關(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=40MPa 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 公稱壓力PN=1M

12、Pa 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=24mm,A=10mm,H=6mm。 1.2.4 閥桿 閥桿的確定可由球體的直徑來確定，由球體直徑D=48mm，查閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)可選閥桿： 第二章 球閥尺寸計(jì)算 2.

13、1 閥體 口徑：25mm 壓差：5000Pa 進(jìn)口壓力：0.1MPa 公稱壓力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。 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

14、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

15、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 R1+cosφ2=21.99mm R——球體半徑=24mm φ為密封面對(duì)求中心的斜角； μT——球體與密封圈之間的摩擦系數(shù)，查表得=0.04。 則Mm=NμTr=727（N·mm） 2.5.1閥體螺栓設(shè)

16、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，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），F(xiàn)=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

17、=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（N·mm） 2.6中法蘭螺栓校核 外部法蘭由之前的數(shù)據(jù)由閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-16查德 選系列代號(hào)1級(jí)法蘭。 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)

18、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 根據(jù)公稱壓力以及所受的預(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*3.1

19、4*4^2=3768 σL=.=85.9095MPa< σL=180MPa 所以所選螺栓滿足其強(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，在此不作說明)，法蘭厚度16mm。 中面法蘭經(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% 開度為例）

20、 3.2 網(wǎng)格劃分(以80%開度為例) 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)開度時(shí)的速度分析 球閥在20%開度時(shí)的速度云圖 球閥在 40%開度時(shí)的速度云圖： 球閥在70%開度時(shí)的速度云圖： 4.2 球閥在不同相對(duì)開度時(shí)的壓力分析 16 球閥在20%開度時(shí)壓力云圖： 球閥在40%開度時(shí)壓力云圖： 球閥在70%開度時(shí)壓力云圖： 4.3 球閥在不同相對(duì)開度時(shí)的流量系數(shù)分析 17 球閥在20%開度時(shí)流量系數(shù)： 球閥在40%開度時(shí)流量系數(shù)： 球閥在70%開度時(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，小到日常生活中的水龍頭，都是球閥。