减压器几种孔板的计算与应用1

河南航天压力元件有限公司 科学技术成果奖申报表

成 果 名 称 减压器的原理及试验中孔板的计算与应用

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二0一一年十二月

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成果名称 关键词 完成单位 主要完成人 专业类别 成果简介： 机械类 减压器的应用原理及试验中孔板的计算与应用 减压原理、薄壁孔、等熵指数、成果 研发中心 陈正立、张启明 研制时间 2011年11月 项目名称：减压器的应用原理及试验中孔板的计算与应用 减压阀是通过手动或电动调节，将进口压力降至需要的出口压力，并能在进口压力及流量变动时，利用介质本身的能量，使出口压力自动保持某一相对稳定值的阀门。 从流体力学的观点看，减压阀是依靠手动或电动机构的调节，使阀门局部阻力变化的节流元件，通过改变阀座部位的节流面积，使介质质点的流速及动能发生改变，造成不同的压降，从而达到并保持出口侧不同的压力。气体管路系统中广泛使用气体减压阀把高压气体减压至所需低压，来满足系统的需要。 减压阀的两个基本功能。一是减压，即将进口压力降至某一个需要的出口压力；二是稳压，即能在进口压力及流量变动时，利用本身介质能量保持出口压力基本不变。两个基本功能缺一不可。 一、减压阀的工作原理 减压的原理是节流，气体流经活门与活门座之间的缝隙时，压力减小，达到减压的目的。那么，压力为什么会减小呢？可以从两个方面来说： 1．活门与活门座之间的缝隙相对而言面积较小，气体流经的流速较快。根据质量守恒定律：通过流管任意截面的气体质量流量都相等： ρ1ν1A1=ρ2ν2A2 （1） 2

ρ—气体的密度 ν—气体的流速 A—流管的截面 在气动装置中，气体的流速一般较低，远小于音速（340m/s），且经过压缩，一般认为是不可压缩流体。即ρ1 =ρ2。 那么 V1A1=V2A2 当A1＞A2时，ν2＞ν1。 结论：流管的截面小，气体的流速就高。 2.对于一维恒定等熵流动的气体，它在流程上任一截面上气体的能量是恒定的，根据伯努利方程： h ＋g Z＋ν2/2=常数 （2） h=pρpρ.kkk1 .k1+ g Z+ν2/2=常数 （3） h—流体的焓值（内能） CP—定压比热容 g z—流体的位能 ν2/2—流体的动能 因此可得如下结论： h1 ＋g z1＋ν12/2= h2 ＋g z2＋ν22/2 在减压阀中，由于行程很短，忽略摩擦阻力和位置高度的影响，则有： h1 ＋ν1/2= h2 ＋ν2/2 （4） 结论：气体的流速高处压力低，流速低处压力高。 那么气体流经活门与活门座之间的缝隙时，流速增加，相应压力就减小。 22 3

2．当气体流经突然扩大或缩小的截面、弯头、阻碍物或阀门等处，由于流速的大小和方向改变产生流体质点撞击和涡旋而引起能量损失。由于这个区域是不稳定的，除区域质点撞击磨擦消耗能量外，流动时不断有新质点进入该区域，也不断有质点被带走，这种质量交换过程中也要发生撞击磨擦等而消耗能量。 流动状态复杂，有湍流，有旋涡，很难进行理论计算，一般都依靠实验测得各类修正系数来调整。 综上所述，我们可以基本了解减压阀的减压原理。 二、减压阀孔板的应用与计算 根据前面的减压器的工作原理的阐述，可以看出减压器是利用阀芯开度的变化使出口的压力保持稳定的，当系统的背压与减压器的出口压力的比小于气体的临界压力比时，我们可以用限流孔来保持流经减压器的气体流量。因为对于管道或截面出口为大气压（或某个低气压）的一个系统，如果气流流到管道出口处时，其流速达到音速时，截面下游气体的压力变化就不会对上游气体的流动造成任何影响，因此在减压阀后设限流孔板，一般就是为了得到一个音速截面，让气体在管路中的流量稳定地保持在我们所要求的值，只要限流孔板前的压力（减压器出口压力）恒定，系统的流量就不会变。 为了计算方便，把气体从流经减压器、限流孔板的流动近似简化为等熵流动，即绝热流动，在气体状态变化的过程中，与外界没有热交换。下面分以下两种情况实现对孔板的计算。 4

1. 节流孔板的形式 减压器的节流孔板一般为薄壁孔口，减少温度对通过孔板流量的影响。所谓薄壁孔口就是当壁厚L小于孔口d的1/2，而且孔口边缘是无倒角的锐缘时，则孔口出流的流体仅与孔口边缘相接触，此时的孔口可认为是薄壁孔口。孔板的形式主要有以下几种形式： 2.节流孔板在减压器的试验中的接入形式及系统接入注意事项 2.1 试验系统接入孔板后，接背压阀或节流装置或直接排空，直接排空时P3=P0（P0为大气压力）如下图 压力表P1接气源系统减压器压力表P2压力表P3孔板背压阀 2.3进行试验系统的安装时要根据实际情况，合理安排系统，包括气源压力的大小、控制阀门的配置、管路的直径、长度、弯头的数量等。 2.4合理设置测压点位置，以尽量靠近试验件或需测压的元件为原则，以减少测量误差。 2.5 试验系统上各类控制阀门的的流通能力要大于试验件的最大流通能力。 3.节流孔板的计算 5

3.1 针对2.1所示孔板的接入方式进行孔板的分类计算 1 在超临界流动状态下 βkp≥P3/P2 时，βkp=k12k1 ，气体流速在管路系统的最小截面上会达音速，即系统流量q最大（即通过减压器的最大流量），可按如下方程式来计算孔板直径： 112q=μZ1dP2 RT412 （1） k1Z= 2k1 k k1 （2） d2= 4qRT1μZ1P2 （3） k14q把式（2）代入式（3）可得： d= 其中 Z1 状态函数 4μP2.21kRT1k1k P2 减压器出口绝对压力（MPa） k 等熵指数 R 气体常数(J/Kg.K) T1 孔板入口气体绝对温度(K) μ 修正系数（对直角孔板，0.82-0.98根据大量的验证，取0.915） d 孔板直径(mm) 注： 对由单原子组成分子的气体 k=1.667 6

对由双原子组成分子的气体 k=1.4 对由三原子或三原子以上组成分子的气体 k=1.285 13.2在亚临界流动状态下 βkp＜P3/P2 时，βkp=k12k1 ，气体流速在管路系统的最小截面上没有达到音速，即系统流量q会随下游压力P3的变化面变化，可按如下方程式来计算孔板直径： 4q =λZ2d2P21RT1 （5） Z2= k122kp3kp3k（6） ()―() k1p2p2 由公式（5）变形可得：d2= 4qRT1Z2P2（7） 4qRT1(k1)4 把式（6）代入式（7）可得： d= P2.pp2k (3)k―(3)p2p22k1k （8） 其中 Z2 状态函数 P2 减压器出口绝对压力（MPa） k 等熵指数 R 气体常数(J/Kg.K T1 孔板入口气体绝对温度(K) λ 修正系数（对直角孔板，0.7-0.8根据大量的验证，取0.75） d 孔板直径(mm) 7

三、 结语 在长期工作的过程中，许多公式的形成都是通过理论模型进行简化形成的，在实施的过程中肯定会与实际验证有一些误差，但这可以作为理论设计中的参考，在实施的过程中进行修正。同时理论设计出来的产品在材料选择、加工、装配的过程中、即使是细微的不同，都会导出意外的结果。这些情况，都会使计算与实际有一定的误差。为了弥补理论计算与实际的差异，在计算公式中往往加入一个范围的修正系数，通过试验，学习、总结，通过经验的积累，选定比较接近真实情况的修正系数，为以后产品的设计及计算积累更多的经验。 8

成果的技术水平及推广应用情况 本智力成果通过公司内大量减压阀门试验验证，计算结果基本符合实际情况，误差小于5%。如15所的YF170减压器、6JY35-15减压器等取得了很好的效果，准确度高，更接近实际。同时，对于该计算过程已编制相应的程序，只需输入相应的参数即可完成相关计算，准确、快捷，节省了人工计算时间90%以上。同时该智力成果还可以推广应用到其它阀类产品的流量试验上，如球阀、安全阀等，应用范围广阔。 9

成果的经济效益： 财务部（盖章） 年 月 日 申报部门意见： 年 月 日 专家组评审意见： 盖 章 年 月 日 知识产权工作领导小组评审意见： 盖 章 年 月 日 10