球阀设计大致过程

1、本科课程设计题目：过程流体机械课程设计学院：机械与自动控制学院专业班级：过程装备与控制工程姓名： 学号：二o 一六年七月目录摘要I第一章工作原理和设计方法11.1工作原理11. 2设计方法11.2. 1球阀结构11.2.2球阀材料21. 2. 3 阀体31.2.4 球体41.2.5 阀杆4第二章球阀尺寸计算62.1阀体62. 2阀杆62. 2.1阀杆尺寸62.3球体尺寸计算62.4密封比压62.5球阀转矩92.6法兰螺栓校核102.7法兰选型11第三章数值模拟计算方法123. 1数学模型123.2网格划分133.3边界条件143. 4 CFD使用步骤14第四章 管道内流体模拟结果分析154.1

2、球阀在不同相对开度时的速度分析154.2球阀在不同相对开度时的压力分析164.3球阀在不同相对开度时的流量系数分析 17 第五章总结 参考文献,摘要本学期过程流体机械，我组所做课程设计为v型球阀。v型球阀属F固定球阀，也是单 阀座密封球阀，调节性能在球阀中比较有优势。本设计说明根据己知的球法者及经验对 DNIOOmm, PN IMPa的球阀进行设计，主要包括了材料选择，结构设计，尺寸计算，强度校核， 三维建模，CFD数值模拟分析等。并且，尽量式结构在满足其工艺要求的前提下，降低结构 的复杂性。本设计中，根据老师给定的数据和己知条件进行设计，并根据国家标准和设计手册进行 选材。设计期间用到了 s

3、olidworks进行三维建模，并建立了流道图，用到了 gambit进行网 格划分，设置边界条件，用fluent进行对不同开度时的流道进行压力和速度分析并获得相 应云图。通过以上软件完成对V型球润的分析计算。并未以后的相应工作打好相应的基础。关键i司：结构设计，尺寸计算，强度校核，数值分析第一章工作原理及设计方法1.1工作原理具有与截止阀相同的旋转90度提动作，不同的是旋塞体是球体，有锥 形通孔或通道通过其轴线。当球旋转90度时，在进、出口处应全部呈现球 而，从而截断流动。球阀的主要特点是本身结构紧凑，易于操作和维修， 适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶 劣的介质

4、，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等。球阀I闽体可以是整体的， 也可以是组合式的。V型球阀是中央有通孔的球作开关的阀门，传统上分 为浮动V型球阀和轴耳固定V型球阀两种。浮动V型球阀的开关球经阀座 密封对接在阀体中转动，转动到通孔与通道口对准时为全通，转动到通孔 与通道口成一定角度时为全闭。浮动V型球阿的开关球通过槽与操作网杆相连，在介质压力作用下， 可相对阀杆或I闽体浮动在下游阀座上，从而实现关闭密封。轴耳固定V型 球阀的开关球通过以阀杆为轴的轴耳固定在阀体上，在介质压力作用下， 不可相对阀体浮动，只能通过上游涧座的浮动实现关闭密封。因此，浮动 V型球阀的阀座可以是固定阀座，轴耳固定V型球阀的阀座

5、是浮动阀座。 总结：V型球阀座的结构和性能可通过阀座的截面基准等边三角形来控制 和调整，因此，凡V型球润座皆可按等边三角截面法设计，首先按结构和 性能基本需要确定其截面基准等边三角形，然后以截面基准等边三角形为 截面要素、截面成分或截面轮廓确定润座截面,最后按具体需要选择材料。 实际上，按等边三角截面法设计，V型球阀座和开关球一同变得极易标准 化，而一旦标准化后，V型球阀座和球的设计仅在于按介质和介质压力简 单确定材料。（等边三角形截面法）1.2设计方法1.2.1球阀结构1.2.2球阀材料球阀材料根据公称压力选用，由球阀设计计算手册查得可选灰铸铁HT 150 o如图示：阀体选用 HT150aL

6、 = 21.5 MPa aw = 40MPa t = UMPa表4-3(1)饷造阀门管件用材料的许用应力材料牌母结构特点a. 1 |r»rw?av Zrj材料牌号站构待点mmEMPaMPaHT ISO网体.佩板21.51011KTH 330-08阀体，用板456523法兰，支架6411法兰.女架HT 200网体，祖板305015KTH 350-10啊体.削板507025法七.支架HO法*支架100HT 250阙体，糟板355517KTH 37042阀作.用板557528法兰.支架85法些支架)05HT 3004。6020QT 600 2科休.凯板85)0040法兰支架90法兰.支架1

7、20HT 350阀体,俐板6523QT 500-5阀体耐板658032法支架100法兰支架102KTH 30006阀体.削板406020QT 400 17阀M：.闸板558028法Y交架85法兰,支架1001.2.3阀体阀体为二分式阀体，法兰连接，材料为HT150设计初始条件口径：25mm 压差：5000Pa 进口压力：0. IMPa公称压力PN=lMPa阀体壁厚设计：序与名»符号式中符号公式或索小平位1计算厚mm2计算压力P取公称底力P、.改计给定MPa3计算内径D、ttittt 定mm4i午用拉成力在衣3MPaS耐加裕fitC65。n2。21 3。>30mm51326实际厚

8、度h设计透定mmt'B = 5.892mm所以附加余量c = 5mm所以tB=6mm1.2.4球体 确定球体直径：对于通孔球径，球体半径一般按4（0.80.95） d计算 对小口径R 取相对大值，反之取较小值为了保证球体表面能完全覆盖润座密封面，选 定球径后，须按下式校核：Dmin = d d2R = 24mmtoogo60的2020111608(1 LOG 1204-48 A与d的关系曲线根据以上可选球径为R=24mm, A=10mm, H=6mm。1.2.4阀杆阀杆的确定可由球体的直径来确定，由球体直径D=48mm,查阀门设计手册可选阀杆：409>zl£Cl-Ofr

9、0S(03LZ<n9£S?l£29R我00(0£L132E8208HS7185圮£9OSas¥VFPNCI心场咨uku姬甘於剧浪但犯家会丁 or « *处燧* S好燃卸MM渤倍6Z «田第二章球阀尺寸计算2. 1阀体口径：25mm 压差：5000Pa 进口压力：0. IMPa 公称压力PN=lMPatB =1.5+CB 2气-pt'B = 5.892mm所以 附加余量c = 5mm所以t3=6mm2. 2阀杆2. 2.1阀杆尺寸：由上述方法可计算: 对丁球径R=24mm的球，可选用阀杆尺寸为：d=12mm, S

10、R=50mm, h=5mm,d0=16mm, b=8mm。2. 3球体尺寸计算：根据1.2.4可计算得球体的尺寸：对于通孔球径，球体半径一般按R= (0.80.95) d计算 对小口径R取相对大 值，反之取较小值。为了保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径后，须按下式校核Dmin = Jd顶-d2R = 24mm根据以上可选球径为R=24mm, A=10mm, H=6mm。2. 4密封比压确定序号名稼符号式中符兮公式或索引单位1密封面上尊作冗力FW7Fmj 十 Fm> Fmm2赠乾即上介质作用力Fxj于(Dj'-Dg) . p、3活是客筒外径dm设计的定mm4密封面内径Dxx

11、设计明emm5什片压力P取公林压力P、MPa6网睡寄村而上故素力Fs于 01HM( /XlW fXlN)57闵座希封面外径Wmu设计给定mm8阀障仪紧密封最小比压4 J RPTFE、尼龙宙的圈系用 qg =«. 1 但不小于 2> 0 MPaMPa9的障密捌圈.摩奔力F«取0.妩F*MPa10密召面上总作用力Fmx亍, p( Ojit -1.1 DL、f DGw)、u密剑就工作比庄9尸、/AMMMPa12密封面对以体法向压力p>f . eosN13密肖前环带面枳Amu2的mm*14密封面与球体中心交角§设计给定15球体寸径"i谀计给定mm名称

12、符V式中符G公式域索JI_鹰J4面投影霓准kmm . ( HKHXfblt 压 -q夕(I”，1 /Xc-O. 1 /Xm). hKhnrMPa密封复上必缉比原A & 4 16MPa得村面许用比昧dMPa铸饮钢、黄倒气如 网.晚喷含金=(3. 5十PN* 而材利铸锹、百铜、画铜彖月血笠度 奴 / mrn0. 250.40.61.01.62.54.06. 48.010.0S 5II1516182。23l.ft1。111 L512. SIL517. 5229a30LS«. 5!>9.S1012UK212XZ. o7. 5SA. 59 1 11012162125纣2.5：&l

13、t; O$. S /Li. . 7&f)：l141922wH awI67.5«.$10l:t172024"T" 1:<.5 6ft. 3891Z1619221.055.36G.57.59111517.520I 1.5.>5L ok8Lil191619. S5.04. 55 JCfi. 581013Iti 15电517.55. 54, 5555.567.59.512.56.0l1.31.5&679121417G.5441, 5567g12PH16M料名稼材料牌弓材料性J®踱度讦用比阳/MPa密封而无滑动序旗常村面方滑动摩縻皮革中

14、软椎校片状中等硬度5.0铸铁HT Z0011造IIB 170 22030.020.0黄饷II 62 心HPb 59-钳黄 JMHMn58 2 2悟此钢压眦HB 80-8580.020.0HSi S0-3硅肯嗣HR 95-100100.025.0trwQ%66 3 5HIT 捌B0.015.0QAI 9 4 VI1TWHBHO80.025.0QA1 19 3KB 120-170100.035.0QA】iom；有铜100.0Z5.0碳钢ZG 230-450HB 170100.0M.0溥卸IM35 CrMoAL38 CrMoAIAHV 800-1 000300.0&0.0当qMF V q V

15、 q时合格。密封封面材料：选用聚四氟乙烯许用比压q = 17.5MPa"Kii rr-(a+CPN)必须比压GmF = R，MJ 10球体中心而到法兰两端而距离。.12£)2 r2_L= 20.48784I2 = J R2 + 零=19.49n = I】一质=1阀座平均直径：Dm = 外尹竺二26. 5液体对密封面的作用力:Q = 551.26 N实际比压：4 = /七)=442MPq n(DMNDMW)阀座密封而宽度：bm = VG1 一 很2 (Dmw - Dmn)2=1. 80 mm 对于聚四氟乙烯，其系数a=1.8 c二0.9 ,所以qMF = 338MPa 综上Q

16、mf vq<q满足要求。2. 5球阀的转矩计算球体与阀座密封面间的摩擦力矩，F球体与阀座之间的密封力，F=N, N=Q/COS0 (N);r摩擦半径 E+cosq) = 21.99mm2R球体半径=24mm叩为裕封面对求中心的斜角：Pt一一球体与密封圈之间的摩擦系数，查表得=0. 04o则Mm=Nprr=727 (N mm)2. 5.1阀体螺栓设计：1)操作情况由于流体静压力所产生的轴向力促使法兰分开，而法兰螺 栓必须克服此种端而载荷，并且在垫片或接触面上必须维持足够的密紧力, 以保证密封。此外，螺栓还承受球体与阀座密封圈之间的密封力作用。在操 作情况下，螺栓承受的载荷为：14=F+E+

17、Q式中一在操作情况下所需的最小螺栓转矩(N)：F总的流体静压力(N), F=0. 785O2P：FP一一连接接触面上总的压紧载荷(N) , =2n bDcmP：Q一一载荷作用位置处垫片的直径(mm)垫片选用 GB9126.2-88 内径Dl=34mm D0=51mm 厚度 t=lmmDg=(Q+Do)/2=42. 5mm垫片的有效密封宽度m=2. 25比压 y=15MPa 宽度 b=8. 5mm则将各项数据代入可得螺栓工作载荷必=F+§-Q=7325. 48 (N mm)2. 6中法兰螺栓校核外部法兰由之前的数据由阀门设计手册表6-16查德选系列代号1级法兰。名祢符号式中符号公式或素

18、引单位彝悴魂掖阀表"勺幌检以做 而积*求p 圭gi螺性息抗拉皿力右效面枳A».ZAin'.Z给定个.单.个蝶栓供血枳Aiy 小in名你衬兮式中符号公式或案引单伸.5螺栓最小直径d,.f设计境定in6由伯片或(>形阀的有效 外周边或其密H件的有效 播边所限定的而祝.环如 连接由环中径确定该限定4.4in7或0片外筏if搜虾 中径Dy浊计拎建in8. 、- . 一. .K,川MPa时为65. Z6.用psi时为0.459公林压力级*说汁洽定vim、10嗥阶撞38C时许用也力S.当大干 137. 9(20 000)时用 137. 9(20 000)MPa.( p&#

19、171;)液体对密封面作用力QM；Z)2p=551.26 N螺栓预紧力可求得：。广混心(临7 - 临Q = 249.631 N球阀密封力 Q二 Qi-QMj=800. 89 N设 h=lmm 且 R=24mmD；H = 58mm DMN = 25mmDmw = 28mm cos(p = § =壬=。833<p为密封面对求中心的斜角1 2RWa:预紧螺栓时所需的最小螺栓转矩：Y：垫片或法兰接触面上的单位压紧载荷:Q1：预紧力其强度校核可由公式:Wa = nbDGY + QWa = 3.14 * 8.5 * 42.5 * 15 + 249.63=17273.135KN根据公称压力以

20、及所受的预紧力和尺寸，从GB 6188-2008选用等级3. 6级， 碳钢，M8螺栓，预选4个，以下进行校核：由公式：血,W取Wa与Wp之间较大值；A=4*3. 14*4"2=3768=107301.65 = 85.9095MPQ V j二 180MPaL 3768L LJ所以所选螺栓满足其强度要求，校核成功。2. 7法兰选型根据球径48mm,选择法兰外径为115mm的端法兰，其螺栓孔中心直径85mm, 螺栓孔径选14mm,螺栓选取M12,因为公称压力比较小，所以选取4个即可（其 强度在上面也己经校核过，在此不作说明），法兰厚度16mm。中面法兰经结合各种参数后，可得参数:法兰厚度5

21、mm,中面法兰边长160mm, 螺栓直径选M8, 4个，法兰孔径为公称直径85mmo表1-183凹凸固整体钢制管法兰（mm）公林10连报尺1法兰15 .度 (,法兰颈法二外传D90耳怜孔nomA 技K6014校d41X <34Y/irflNKn4M12343 W1428315S555144MJZ46394('qu V143232010575144M12565051431640425115R3U4M1265S7584.11650432110100IK4MK7&足6643186054615011618IM168473764318705S0I5S12518aM169987861

22、3208$5做USH5188MISlie109IDI322104680200160IKKMlb)32120l?l4324UO610023519。tl8M2n156H915)4.53.32411261252702202G8M241?3I7S4.53.31261626J5O300230268M242!12032014.S3S2»192A11第三章数值模拟分析方法3.1数学模型（以20%开度为例）3.2网格划分（以80%开度为例）133. 3边界条件3.4 CFD-Gamb i t 使用步骤首先，将solidworks里建立好的流道图以STEP格式导入到Gambit中去, 然后设定流道尺寸

23、，将流体改为水(液体)，选择k-epsilon(2 eqn)模式。在边 界条件下设定流体为水，进口压力，水力直径，出口压力，水力直径。在设置进 出口为压力进口压力出口。最后导出mesh文件。第四章 管道内流体模拟结果分析4. 1球阀在不同相对开度时的速度分析球阀在20%开度时的速度云图2WG4OJ 2.84G-+0J 2朝+0。 2.54900 7 39x0。 2?4p*00 2 必.00 1。心00 1.795D 1.6 心 00 1.49e-t00 1.34*0 1.汨。0 1.04e-t03 8.9Se C1 7.46c 01 5.97o Cl 4.48o 012WO-01 1.490-

24、01 O.OCe+iX)Contours of Velocity Magniluoe (m/s)Jun 30, 20l6flueni 6 2(3d. pgrpgatPd,邳幻球阀在40%开度时的速度云图:20Ce-00I 90e-*00 1 BOctOGI /gfio 1.6CjOO 1 50e-tCC1 40e-f001 30etCC 1 2C MO1.1 Oct。1 OCe-iOO 9.0Ce-0l 8.0Ce-0l7 0Cg-O1 SQCe-01 5 0CP-01 4.0Cc 313 0Ce-0l2 0Ce-Ol l.0Ce-9l OOCe-OOContours cf Vebcity M

25、agnitude e佑)Jun 30. 2016FLUENT S 2 3G segregated, ske)球阀在70%开度时的速度云图:I 3.47ei-00 .3.29er00'3 1W+00 2 95er00 2.77sD0 2608*00 2.43o+00 2.25e 十 00 2 )8料+00 1.0lG-f00 .1.?3er00186+00 1.3950 1.2ler00 1.046+00 8 6721| 6.94eCl 5 20e-Cl 3.47Q-C1 1.73O-011 O.OOetDOGomours 01 velocity Macnituae (trvs)Jun

26、30.2016FLUE" C.2 (3c, segregated, $ke)4.2球阀在不同相对开度时的压力分析16球I阀在20%开度时压力云图：I2.99e-t00 2.84e+00 2.69a00 2.54e 十 00 2.39et00 2.24e-f00 2.09et00 1 94e00 1.79e-t-00 1.64et00I1.49e+00 1 34et00 1.l9e-t00 1.04e-f00 8.96e-0l 7.46e-0l 5.97e-0l 4 48e-0l 2.99e-0l 1.49e-0l O.OOetOO40% 开 度时 压 力 云 图Contours of Velocity Magnitude (m/s)Jun 30, 2016FLUENT 6 2 (3dt segregated, ske)I1.00e-f05 9.97e04 9.95e 十 04 9.929+04 9 89et04 986。十 04 9.84e04 9.8004 9.78e-t04 9.76e+04 9.73e-t04 9.70et0419.68e049