旋塞阀任意行程开度下通流面积计算方法

张春杰　杨银山　尹昱淞　李　折

(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249)

0　引言

以球阀、柱塞阀为代表的旋塞阀由于具备流体阻力小、结构简单、能够实现快速开闭和远程控制等优点，被广泛应用于石油石化、天然气输送、高精度计量等多个行业，在实际应用过程中，球阀的开闭状态往往是通过其行程开度来衡量的，但旋塞阀的通流面积与行程之间并非线性关系。本文通过计算给出任意开度下更为简单[1-2]的旋塞阀的通流面积计算公式。

1　旋塞阀通流面积计算模型建立

将旋塞阀中的主要部件进行简化，建立如图1所示的物理模型[3-5]。

由图1所示，阀门任意开度时的流道面积由阀芯流道和阀体流道的重叠部分确定。将图1转化为平面视图后，如图2所示。

图1　阀门阀芯入口流道形状

图2　平面视图下旋塞阀转过任意角度时的通流面积

图2中，∠a为阀芯转过角度；O1、O2分别为阀体和阀芯流道截面在垂直于流体来流方向上的投影圆、椭圆的圆心；SMEPF即为阀门任意开度下的通流面积。

2　任意角度下旋塞阀通流面积计算

SFlow=SMEPM+SMFPM

(1)

(2)

(3)

其中，MO1P为椭圆圆弧，MO2P为正圆圆弧，SSectorMO2P为圆O1的扇形面积，SSectorMO1P为圆O2的扇形面积；

(4)

(5)

其中：

SO1=pr2

(6)

SO2=pr2·cosa

(7)

将O1点作为坐标原点(0,0)，圆O1的解析式为：x2+y2=r2

(8)

L为椭圆和圆的圆心距。联立圆和椭圆方程，即可解得点M的横坐标为：

(9)

∠MO1P=2∠MO1N=2arccos(x/r)

(10)

(11)

将以上公式进行整理，最终得到旋塞阀转过任意角度时的通流面积计算公式(12)，面积开度计算式(13)：

(12)

(13)

3　旋塞阀完全关闭位置计算

旋塞阀的转动行程一般为90°，但根据图1所示，旋塞阀完全关闭时并未转过90°，而是在某个位置时完全关闭。如图2所示，当点N到达圆O1的边界(点F)时旋塞阀完全关闭，此时满足式(14)：

(14)

式(14)中x的解析式较为复杂，这里给出基于MATLAB的迭代计算程序，通过调节计算精度，输入变量为旋塞阀阀芯半径R，阀芯流道半径r，以及计算精确度P；输出变量为阀门完全关闭时的旋塞阀转过的角度a，阀芯角度从全开位置旋转超过角度a时，属于无效行程。

function[a]=Valve_Closing_Position_Calculate(R,r,P)

Angle_Start=-20;

视域可见度与全局整合度相关性分析，常用作衡量一个空间区域中局部空间结构能否有助于人们建立起整个空间系统的能力，也可以称为“智能度”.在整体空间中选取局部区域，可从整体系统的角度分析该区域与整体空间的结构关系，即该区域的空间系统智能性.

Angle_Step=10;

while Angle_Step>P

for a=Angle_Start:Angle_Step:90

x=nthroot(R^2-r^2,2)*sin(a/180*pi)/(cos(a/180*pi)+1);

ifx>r

break

end

end

Angle_Step=Angle_Step/10;

Angle_Start=a-Angle_Step;

end

end

4　结论

本文给出了目前应用广泛的旋塞阀在任意转角下的通流面积计算公式，将行程开度(角度)换算为通流面积，能够更加直观地体现阀门的开闭情况，同时给出了旋塞阀的有效行程角度计算公式，能够用于流量控制和高精度计量的相关研究。

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