Силы, действующие на затвор клапана. Расчёт переливных клапанов. Предохранительные клапаны непрямого действия

2 семестр

Лекция 1.

Силы действующие на затвор клапана.

На затвор клапана действуют силы гидростат. давления и трения, силы гидродин. воздействия потока боковое усилие обословл. несимметричностью распределения давления жидкости в рад. зазоре и несоосностью затвора и отверстия а также силы бокового давления вызываемого несимметричным действием усилия пружины На первом этапе расчёта клапана учитывают лишь силы гидростатического воздействия. Перепад давления соотв. открытию или закрытию затвора предохранительного клапана, для клапана с острыми кромками (рис 4а), т.е. условие равновесия стат. сил действ. на затвор клапана можно определить без учёта сил трения по уравнению(3).  При этом условии перепад давления соотв. началу открытию равен перепаду давления в  момент закрытия клапана. Это изменение обослувловленно возникновению гидродин. сил а также тем что при увеличении расхода через клапан затвор его должен быть полнят на соотв. высоту, в связи с чем усилие сжатия пружины а следовательно и усилие жидкости треб. для удержания клапана в подн. положении повысятся. (рисунок 5). На рисунке 5 приведена зависимость давления от расхода клапана одностороннего действия при открытии и закрытии затвора. График показывает что давление Рн соотв. началу открытия клапана при повышении давления больше Ро при закрытии клапана при снижении давлении. Разница в этих давлениях при равных расходах определяет гистерезис предохр. клапана, под которым понимается разница между давлениями при открытии и закрытии затворов(отрезок b). Причинами появления гистерезиса(нарушение стабильности Р) явл-ся хар-ка пружины и трение деталей клапана, а так же изменение действ. при подъёмах затвора клапана сил давления жидкости или газа, в том числе сил инерции гидродин. сил. Для повышения стабильности давления т.е. уменьшения гистерезиса при изменении Q необходимо повышать эластичность пружины, за счёт уменьшения коэфф. жёсткости, за счёт увеличения длины, а также максимально понижать силы трения и ход затвора. Для идеального клапана зависимость давления от Q выражается без учёта гидродинам. сил вертикальной прямой (кривая а) и это давление совпадает с давлением Рн-начало открытия затвора. Силы трения плунжера определяют чувств. дельта клапана к изменению давления, которое оценивается соотношением (2). Где дельтаР-превышение давления над номинальным.  Чувствительность колеблется в довольно широких пределах от 0.03-0.1 и зависит от конструкции рабочей части затвора и формы седла, а также от силы трения плунжера. Например клапана с плунжерным затвором смотри рисунок 1г, чувств. ниже чем клапана с конусным затвором. С учётом сил трения условие равновесия сил без учёта гидродин. сил потока жидкости действ. на затвор клапана в начале открытия клапана или закрытия Q=0, h=0. ДельтаР*Aо=Ро+-R=>дельтаР=(Pо+-R)/Aо, где  R – сила трения покоя, Ро-усилие пружины при нулевом подъёме клапана. При приближённых расчётах трением часто пренебрегают, после того как затвор оторвётся от седла перепад давления изменится из-за уменьшения эф. площади зазора. Из расчётной схемы (рис 4а) следует что при закрытом клапане давление раб. среды действ. на затвор с диаметром d, тогда как при открытом клапане это сечение определяется d1<d . В соотв. с этим эфф. площадь клапана на которую действ. давление раб. сред  будет опр. след. образом Aэф=пиD1^2/4 будет меньше A0=пиDо^2/4 соотв. закрытому затвору. Аэф=Пи/4(d-hsinальфа)^2. Площадь проходного клапана щели Ащ=b*t=пи*d1*t=пи(d-hsinальфа)*hsinальфа/2. Подставив в выражение расхода Q=(мю*пи*d*hsinфльфа/2)*(2дельтаР/ро)^0.5. (5)

Очевидно для клапанов с небольшим подъёмом затвора уменьшение эфф. площади клапана вызванное разницой d-d1 очень мало и им можно пренебречь. Условие равновесия сил дейст. на затвор клапана имеет вид (4)

Аэф<Ао.

Влияние формы седла.

В реальных клапанах седло имеет не острые кромки а некоторую пов-ть (рис 4б) в виду чего нарушение стабильности сил давления раб. тела действ. на клапан, а следовательно и давление во время открытия и закрытия будет более значительным Из рисунка 4б видно что усилие пружины уравновешивается давлением действующим на омываемые поверхности зазора, которой для герметичной будет площадь сечения отверстия с диаметром d. После того как затвор оторвётся от седла, раб. тело поступит в  щель. Очевидно что давление внутр. кромки контакта затвора с седлом равно раб. давлению Р1, тогда как у внешней кромки щели оно понизится до давления Р2 равному давлению на выходе из клапана. При конусности пов-й образующую щель изменение давления от р1 до р2 происходит по закону на рисунке 4б. В соотв. с этим условие равновесия в момент закрытии окна будет иметь вид (5). Для определения доп. усилия давления жидкости или газа действ. в рассм. щели пользуются средним значением давления которое определяется по опытны данным Рср=0.45(Р1-Р2). Давление, при котором клапан закроется Ро=Рпружины/(Ao+0.45Аседла). При недостаточной герметичности конусного затвора дополнительное усилие от давления жидкости или газа также войдёт в баланс сил, действ. при открытии клапана.  В виду чего клапан откроется при низшем давлении. (рисунок 6а,б).  Площадь на которую действ давление определяется площадью вершины конуса А=пи*do^2/4. Распространены также клапаны с сферическим. (рисунок 6б) Обладают небольшим сопротивлением рабочего тела. Угол бета седла последнего клапана обычно равен 90 и диметр сферы равен 2 диаметра проводящего канала. Площадь на которую действует давление рабочего тела в начале открытия и закрытия явл-ся площадью сечения сферы по точкам её контакта с седлом плоскостью перпендикулярной  к оси клапана (6).