冷主凝器水位调节器的设计研究-学位论文.doc

Y780535分类号密级U D C编号工学硕士学位论文主冷凝器水位调节器的 设计研究硕士研究生：陈亮 指导教师：韩伟实教授 学位级别：工学硕士 学科、专业：核能科学与工程所在单位： 动力与核能工程学院 论文提交日期：2005年2月 论文答辩日期：2005年2月 学位授予单位：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要当前的主冷凝器水位调节装置存在着灵敏度低、稳定性差、设备 庞大、装卸维修不便等缺陷，一定程度上限制了动力装置的正常工作。 鉴于上述问题的考虑，有必要设计一种新型的水位调节装置，改善冷凝器的工作环境。本文设计的水位调节器是一种全新的水位调节装置，在设计原理 和机构上完全不同以往的水位调节器。该调节器是一种纯机械的调节 装景，采用自能源的调节方式，在整个系统运行过程中，不须外界提 供任何动力。在该调节器的设计过程中有效的将喷嘴挡板理论和节流 管调控式阀门的设计理论结合起来，使得该调节器具有快速、可靠、 灵敏度高的特性。同时，在具体的设计过程中，通过应用ProE、 ANSYS、FLUENT等CAD和CAE软件，降低了设计强度，提高了工 作效率，为以后的工程设计提供了一种新的设计思路。为了验证本课题设计的调节器是否符合设计要求，在哈尔滨工程 大学“01”蒸汽动力装置上搭建了实验台架，并进行了冷态工况的调 节实验，对调节器的调节性能进行检验。关键词：调节器；喷嘴挡板；节流管；冷凝器哈尔滨丁程犬学硕士学位论文ABSTRACTAt presentthe water level accommodation instrument of the maincondenser has some bugs，such as，low sensitivity,bad stability，too large facilities，and difficult to load and maintainTo some extent，it restricts the normal work of the dynamic equipmentFor that question above， there is needed to design another water level accommodation instrument to improve the surrounding of the workThe water level accommodation instrument designed in this thesis is completely new equipmentIt has differences in design theory and organization from the pastThat instrument is pure mechanic，and it used a way of self-accommodation without any motivity in the entire system operationDuring the design course，it effectively combined the muzzlebaffle theory with the theory of the throttle pipe control valve，whichmakes the accommodation instrument fleetness，reliable，and sensitive Meanwhile，in the course of the concrete design，with the use of the CAD and CAE software，Proe，ANSYS，and FLUENT，it reduce the design difficulty and increase the work efficiency，then provide a new way for the future engineering designFor the sake of identifying if the accommodation instrument designed in the thesis could meet the demand，we built the experience platform on the”01”steam dynamic instrument in Harbin Engineering UniversityWe experienced on the cold work condition，and verify the accommodation capability of the instrumentKeywords：accommodation instrument；muzzle baffle；throttle pipe； condenser哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：蓝蠢日期：力心年三月卫矿Et哈尔滨L程大学硕士学位论文第1章绪论11主冷凝器水位调节器的研究背景111主冷凝器简介蒸汽动力装置是利用热源将通过锅炉和蒸发器的水加热为蒸汽， 利用蒸汽驱动汽轮机转动，进而带动螺旋桨或发电机组转动，实现驱 动船舶运动或发电的目的。这就涉及到一个问题，为了实现这一目 的，必须源源不断向锅炉或蒸发器提供足够的淡水。在蒸汽动力装置 中，功率越大，给水量越大，以一个300 MW的发电机组为例，每小时 需向锅炉提供1000吨水。如果都靠软化水，则设备投资和运行费用都 很昂贵。通过汽轮机的高温高压蒸汽做功后，蒸汽参数发生很大的变 化，整个乏汽所占据的空间非常惊人，如果不加以利用的话，仅仅是 排出乏汽也是一项很重的负担，特别是在核潜艇上，将大大降低其隐 蔽性，削弱战斗力。同时，通过汽轮机的乏汽的冷凝水水质非常优良， 经过除氧、过滤等一些必要的处理就可以达到二回路水质的要求，而 且流量很大，基本上可以满足二回路用水的要求。如果利用一种设备 将乏汽冷凝为水作为热力系统做功的工作水，即完成了一个闭式循环， 使得做功过程得以持续进行下去；又降低了运行成本，提高了系统的 经济性。主冷凝器就是实现这一目的的设备。112主冷凝器水位调节的意义主冷凝器是蒸汽动力装置中的重要设备，在热力循环中起到了冷 源的作用”1。主冷凝器中水位的高低对主冷凝器甚至整个蒸汽动力装 置的正常工作有着重大的影响，直接影响着整个装置的安全性和经济性。水位过高，将影响蒸汽的冷凝效果，并引起主冷凝器中真空度的 下降，近而降低汽轮机末级叶片的绝热焓降，降低了汽轮机的热效率；哈尔滨。i：程犬学硕士学位论文水位过低，由于冷凝水的压力过低，冷凝泵易发生气蚀现象，同时也 将影响到主冷凝器的除氧效果。所以必须保持主冷凝器中的水位在一 个合理范围内，只有这样才能保证主冷凝器的正常工作。一般主冷凝 器都装有水位调节器，自动保持主冷凝器内的水位稳定。装有自动调 节装置一方面可以减少运行人员(或运行岗位)，同时还可以提高整个 系统的服务质量”1。但是，当前的主冷凝器水位调节系统存在灵敏度 差、故障率高、调节效果差等缺陷，因此设计一种新型的主冷凝器水 位调节装置，改善其水位调节特性，提高其工作稳定性就显得异常重 要了。本论文就是针对目前主冷凝器水位调节系统在运行中存在的一 些问题，提出一种新型的主冷凝器水位调节方案。该方案与以往的调 节方法有着显著的区别，采用组合控制的方式，不需要外界提供任何 动力，依靠自身的调节机构产生驱动力来工作，是一种完全自能源的 调节机构。该调节器主要包括三个部分：稳压器、双喷嘴一挡板发讯器、 节流管调节阀。简而言之，就是利用利用水位的变化，双喷嘴一挡板机 构产生一个差压信号，以这个差压信号为驱动力驱动节流管，进而改 变调节阀开度，实现水位的调节。12液位调节系统的概述在工业生产和日常生活中，对液位进行控制的场所随处可见。大 到工业锅炉，小到生活中常用的电加热器均需对液位进行控制。在一 些特殊的场所，液位的控制非常重要，液位控制的好坏不仅影响到设 备能否安全的工作，还会对经济效益产生重要的影响。因此，液位的 控制越来越为人们所关注，液位控制已经成为工业生产中的一个重要 问题。伴随这一问题的出现，涌现出种类繁多的液位调节器。液位调 节系统是用以保持压力容器内的液位在给定的高度上，使之不超出给 定范围的一套调节装置“1。通常是通过控制流入、流出压力容器的液 体的流量来控制的。靠向容器排入液体来保持液位的称为供给式调节 器；靠从容器向外排出液体来保持液位的称为排出式调节器。本课题哈尔滨工程大学硕士学位论文所设计的水位调节器就是属于供给式液位调节器。121液位调节系统的主要形式液位调节器的主要形式有电动式和机械式两种。电动式是利用液 位的变动产生一个电信号，电信号经充分放大后输送到执行机构，控 制执行机构的动作，实现液位的调节。机械式是一种完全不同于电动 式的调节方式，目前来看，机械式主要分为两种形式：一种是自能源 的；一种是手动的。自能源常用于比较庞大的设备的液位控制，特别 是一些大的调节阀公称直径高达数米，此时依靠人力进行控制难以实 现的。同时自能源的调节方式还具有实时调节等优点，杜绝了人为调 节所具有的灵敏度差、调节滞后等缺点。手动调节方式目前只用于一 些对调节精度要求不是很高的场所，且有逐渐被取代的趋势。122液位调节器主要组成部分调节器的主要组成部分有：液位信号的测量部分，液位信号的转 换部分、信号放大部分，执行机构等组成”砌阳3。液位信号测量部 分用来实时测量液位的变化，体现在工程中的是各种形式的液位计。 液位信号的转换部分将液位信号转换成相应的信号，通常为电信号或 压力信号，如差压变送器和本文中提到的喷嘴挡板机构。信号的放大 部分通过相应的信号放大器将转换过来的电信号或压力信号放大至一 定程度，直至可以驱动执行机构运动。执行机构是调节器的核心部分， 是最终的运动部件，通过执行机构来控制流体的流量，实现液位的控 制。调节器的调节过程可用图11来演示：图卜1液位调节系统的原理图哈尔滨l：群人学硕士学位论文13水位调节器的国内外研究现状及应用情况水位调节器作为液位调节器的一种，有着悠久的发展历史，其发 展贯穿了整个文明社会的发展过程，遥远时期的水坝就是一种特殊形 式的水位调节系统。随着科学的进步和技术发展，各种先进的控制手 段的不断涌现，水位调节方式也发生了很大的变化，调节方式变得更 加简单易行，调节效果更加可靠，调节手段也更加丰富。目前的主冷 凝器水位调节器研究和使用主要分为两个方向：机械式和电动式两种。早期的主冷凝器水位调节器采用的是完全机械的调节方式，具体表现为浮球式、浮子式“们“”“”“。下面以哈尔滨工程大学的“01”蒸汽动 力装置的主冷凝器水位调节器为例，说明机械式水位调节器的工作原 理及存在的问题，其系统工作原理如图12所示：i主冷凝器2热阱3浮予一连杆水位调节器4喷射泵 图I2“0I”蒸汽动力装置主冷凝器水位调节器系统图4哈尔滨工程大学硕十学位论文该动力装置的主冷凝器水位调节器中不存在着任何的电器组件， 是一种纯机械的调节方式。该水位调节装置在自动调节的同时，又兼 具手动调节的功能，在特殊工况或者故障情况也可保证该装置的正常 工作。该水位调节器利用浮予来反映水位的变化，浮子与调节阀的执 行机构通过连杆直接相连，利用浮子的位置变化带动阀头的运动，改 变阀的开度，实现流量的合理分配，最终实现水位的调节。但是由于 该装置存在显著的缺点，如该调节装置容易卡死、故障率高、长期运 行设备的腐蚀现象严重，大大的制约了该设备的应用，目前已完全被 取代。伴随电子技术的不断进步，电动式调节方式被引入到水位调节系 统。电动式水位调节器由于具有调节速度快、反应灵敏等特性，得到 了广泛的发展和应用。早一点的电动式水位调节器以前苏联“尤里安” 号船上锅炉所采用的PI调节连续给水控制系统为例，其工作原理如图 13所示：图l3PI调节连续给水系统的水位调节系统图从原理图可以看出，传感器发出水位信号，水位信号经过变送， 转换成电信号的形式，电信号经过放大，从而驱动电动给水调节阀以 及给水泵动作保证水位的平衡稳定。该调节器的优点是原理简单，控 制方便等，缺点是精度稍差，信号易失真，易受干扰等5州”3。随 着技术的进步和科学的发展，各种性能优良的电子设备的出现，电动 式水位调节器得到了广泛的发展，调节手段更加丰富，调节效果也日 趋优良。现在的蒸汽动力装置主要采用电动调节的方式，下面以中船重工 集团704所研究设计的电动式水位调节系统为例，说明目前电动式水哈尔滨I程大学硕士学位论文位调节器的发展趋势“”“” 。该调节器工作原理如图14所示： 差压变送器用来测量冷凝器内的水位，位移传感器向调节器传送显示负荷变化的位移信号，调节器利用差压变送器传送的水位信号和 位移信号进行计算，产生一个电信号，该电信号经过放大处理，输出 到电动操作器，控制电动操作器动作，从而实现流量的合理分配，最 终实现水位的调节。该调节装爱与第一种相比有着显著的优点，该装 置控制可靠，维修方便，调节速度快，灵敏度高，可实现水位的快速 调节，在任何工况下都可实现水位的调节。同时，该装置不可避免的 存在着一些缺点，主要表现为该调节器的主要测量机构和执行机构都 是电子器件，一旦发生故障，整个装置就彻底瘫痪，这对整个动力装 置来说是灾难性的。因此，必须解决好电动调节发生故障时水位的正 常调节这一问题。此外，电子器件对工作环境的要求较为苛刻，而且 抗干扰性差，设备造价昂贵这都是影响其进步发展的因素C2“。“。调节器图14电动式水位调节系统原理图就目前的发展趋势来看，电动式水位调节装置处于主流地位。电 动式水位调节装置与机械式水位调节装置相比有着显著的优点，并有 逐渐取代机械式水位调节装置的趋势，但这并不代表机械式水位调节6哈尔滨L程大学硕士学位论文装置不再具有生命力。在一些特殊的场所，由于电动式水位调节器自 身存在着抗干扰性差、对环境的依赖性强等缺陷，通常采用机械式调 节方法。特别是在潜艇上，由于潜艇上空气潮湿，摇摆剧烈等，电动 式调节方式的可靠性和安全性难以得到保证，同时由于设备的重要性， 一旦发生故障将直接影响整个系统的正常运行，这些都决定了必须采 用晟稳妥的调节方式，以此保证在任何工况下都可对水位进行正常调 节。机械式水位调节方式就是这样的一种调节方法，尽管在调节方式 上落后于电动式的发展，但在一些特殊的场所仍有着广泛的发展空间。 因此，可以说电动式水位调节器和机械式水位调节器将长期共存。我 们拟设计的水位调节器就是一种完全机械的，自能源的水位调节器。14本课题研究的主要内容本课题就是研究一种新型的水位调节装置，该水位调节装置与目 前常用的水位调节装置及传统的水位调节装置相比，有着显著的区别。 该装置是一种纯机械的、自能源的水位调节装置。该装置依靠主冷凝 器内水位变化产生一个差压信号，利用差压信号驱动调控节流管上下 运动，引起调节阀阀杆的运动状态发生变化，从而带动阀头上下运动， 实现控制调节阀开度，合理分配通往热阱和冷凝器的水的流量，维持 主冷凝器内的水位在正常水位。因此，只要冷凝器内的水位发生变化， 该调节装置就自发的进行工作。同时该装置不存在测量装置和其它的 附属机构，使得该调节器的实时性和同步性非常好，始终保持主冷凝 器内的水位在正常水位。彻底解决了以往调节器存在的调节过程迟滞、 灵敏度差、稳定性不好等问题。该水位调节器与以往的水位调节装置有着显著得区别。在设计过 程中，吸取了节流管调控式阀门和喷嘴一挡板阀的优点，有效的将两种 阀门设计思想结合起来，提出了一种全新的水位调节器设计理念。本课题研究的主要内容包括：双喷嘴一挡板发讯器的设计、稳压 器的设计、执行机构的选择和设计、调节阀阀体的设计和阀芯的形线 设计等。哈尔滨科人￥硕十学位论文作为调节阀的驱动力的输出机构，双喷嘴一挡板发讯器的设计应 用了喷嘴一挡板阀的理论。目前许多水位调节装置的驱动机构都是利用 水位的波动产生一个电位信号，以此来控制执行机构的运动，这就存 在着这样的问题，当电器组件发生故障时，该设备就不能正常工作。 在喷嘴一挡板发讯器中彻底解决了这一问题，利用稳压器提供稳定的压 力源在水位变化时产生的一个压差信号作为执行机构的驱动力。只要 主冷凝器内的水位一发生变化，喷嘴的就输出一个压差信号，改变调 节阀的开度，对水位进行自动调节。同时，由于不存在附属的驱动机 构，保证了调节器在任何工况下都可正常工作。稳压器作为调节器的动力源，在水位调节过程中起着重要的作用。稳压器负责向双喷嘴一挡板发讯器提供稳定压力的水，作为调节阀 驱动力的来源。稳压器的出口水压可以根据工作条件的不同自由选择。 在稳压器设计过程中，主要解决的问题是阀座的口径，阀芯的型面以 及工作膜片的有效面积的选择。三通调节阀是水位调节器的执行机构，负责分配通往热阱和主冷 凝器的水的流量，进而实现水位调节的目的。本调节器最显著的特点 是三通调节阀利用节流管来进行调控，这与以往的调节阀的驱动机构 有着显著的区别。由于节流管调控阀门具有动作速度快，灵敏度高等 特点，使得整个水位调节系统工作更加安全、可靠、及时。在节流管 调控阀门中，节流管对阀门的调节效果有着重要的影响，在保证调节 效果及时准确的情况下，应尽量减少节流管的尺寸，以降低其重量。 同时在调节阀的设计过程中，在理论设计的基础上，应用了FLUENT、 ANSYS等CAE软件。对于提高设计水平，降低工作强度起着重要的作 用。利用FLUENT可以预测调节阀内的流场分布，对于优化调节阀的流 道设计，减少流动阻力，降低能耗有着重要的意义。在阀门流道设计 完成的基础上，利用ANSYS对调节阀进行强度计算。在满足强度要求 的条件下，尽可能降低阀门壁厚，不仅可以节省材料，降低成本，同 时由于减少了设备的重量，使安装、调试、拆卸和维修都很方便。在设计完成的基础上，加工出实验样机。在“01”蒸汽动力装置 的主冷凝器水位调节实验台架上进行冷态实验。以此检验设计的水位哈尔滨11程人学硕士学位论文调节器的调节性能。9哈尔滨丁程大学硕士学位论文第2章喷嘴一挡板阀设计的理论基础21概述喷嘴挡板阀是一种通过改变挡板与喷嘴的距离来改变输出量的 特殊阀门。由于喷嘴挡板阀具有灵敏度高、结构简单、不易堵塞和所 需的机电控制元件少等特点而被广泛应用。喷嘴挡板阀常用于比例阀、 直接式数字阀、比例变量泵以及一些组合阀的先导控制机构。本课题 所设计的水位调节器的驱动机构就采用了喷嘴挡板阀技术，这种技术 的应用在一定程度上改善了水位调节器调节性能。因此，在下面的内 容中，将简要介绍一下喷嘴挡板阀的原理、工作特性、影响因素以及 设计中重点解决的问题。22单喷嘴挡板的原理图21单喷嘴挡板阀的工作原理图图21所示的是单喷嘴挡板阀的工作原理图。喷嘴与挡板间的环 形面积构成了可变节流口。为了减小温度变化的影响，固定节流口采哈尔浜T程入学硕十学位论文用“短管”型的，喷嘴的端部也近于锐边形。 根据液流的连续性方程可得负载流量、Qf，=Q一92(2-1)将固定节流口和可变节流口的流量方程代入上式可得姥=CdoAoJp(肛咒)一一，J盖异屯式中：Cd。一固定节流口的流量系数： 4一固定节流口的通流面积，A。=zDn2；一可变节流口的流量系数；A，一可变节流口的通流面积，AI=zD(x，0一Xf)，其中X，。是挡板在零位时的间隙，x，是挡板偏离零位时的位移。 首先研究切断负载时的特性此时Q。=0，由式(2-2)可得斟+c器，2_ls，其曲线示于图22上。1 21、O 8、0 6d0d、O 4、0 21k h。一 0O0408121622428CdfAfCdoAo图22单喷嘴挡板阀切断负载时的特性11为求压力灵敏度最大的条件，令a：鱼生：C4：zDNx(2-4)a212一JCdoAoCu040式中x=x，0一x，为喷嘴与挡板间的间隙。 利用式(24)的关系Fh(2-3)可求得压力灵敏度为生dx一磬dx一旦X羔n+口21s)、一，在下列条件下，压力灵敏度将为最大旱(车)：一生(1-a2)：o(2-6)aa axX即当a：旦丛：业：1(2-7)CeoAoCaoAo时为最大，此时由式(2-3)可知p,(2-8)P0_P。o-12如果取这一点作为零位，即Xf=0，z=x，。不但压力灵敏度最高，而且控制压力P。的调节范围也比较大，在IX，ml=x，o时为02PseoPs后，则得胪淼=t一知一iXf，雁(见图22)。因此，若将式(27)的关系代入式(22)并进行无量纲化。，利用MATLAB绘制其压力一流量曲线如图23所示。3H2”。阀在 零位h，=鱿=0和R=S2p。)时的三个系数为孙。烈“矿蛾莎哈尔滨E程大学硕士学位论文2孰2：e。o。K=烈=警，z，图23单喷嘴挡板阀的压力一流量曲线阀在零位时的泄漏量为见q椰，。詹(2_13)由以上各式可以看出，减小零位间隙，可以提高阀的压力灵敏度 和减小零位泄漏流量，但Xfo太小对液体污染敏感，容易产生堵塞。增 大喷嘴孔直径D。可以提高阀的流量增益，但会使零位泄漏流量增大。哈尔滨工群大学硕七学位论文23双喷嘴挡板阀的静特性双喷嘴挡板阀是由两个结构相同的单喷嘴挡板阀组合起来按压力 差动原理工作的，如图24所示。双喷嘴挡板阀是四通阀，因此可用 来控制双作用液压调节阀。“。PsQ1 P10L去 负P2Ps一Q3Pa。-QL ll_llj8)b)图24双喷嘴拦板阀的工作原理图及等效桥路图根据流量连续性可有厅一r鲮2 Q1一Q2 2c一。A、君nE)一c矿棚”(x，0一o、孟鼻(2-14)。V口。U D眄一眄一线2 Q4一Q5=c矿用D，o+。、孟尸2一q。厶1亏n一只)(2-15)利用式(2-8)，则以上方程可简化为QL-丽QL币一争”景，雁QL+=d赫=ox_zJ。，偿书一鲁，将这两个方程与关系式B=鼻一只(2-18)结合起来就完全确定了双喷嘴挡板阀的压力一流量曲线。但是，这些方程不能用简单的方法合成一个单一的关系式。可用下列方法做哈尔滨T程大学硕士学位论文出压力一流量曲线，选定一个x，给定一系列骁值，然后利用式(216) 和(217)分别求出对应的只和己值，再利用式(218)的关系，就可画 出Q=见(z，B)的曲线，如图25所示：双喷嘴挡板阀在挡板偏离零位时，一个喷嘴腔的压力升高，另一 个喷嘴腔的压力降低。在切断负载(9，=0)时，每个喷嘴腔的控制压力 只或B可由式(23)求得。当满足式(28)的设计准则时，只和只的平 衡值应为05Ps。将P。和P。的表示式相减即可得到只和X，的关系式，其曲线示于图26上，这就是双喷嘴挡板阀的压力特性曲线。图25双喷嘴挡板阀的压力一流量曲线下面求阀的零位系数，即在x，=骁=B=o和E=最=三乓处的阀系数。式(2-16)和(2-17)在零位的线性化表达式为：Qj，咆加。居峨一警q19)Q- xDf-两pSAx，+警蛆(2_2 o)将式(319)和式(320)相加，并与峨=媚一蝇合并，则得绒=柏。告缸，一鱼势必吨D这就是双喷嘴挡板阀在零位q-作时的压力流量方程的线性化形 式由该方程可直接得到零位系数：。： ：冀： ，。j1。：麓 1。1：，一。6，吨-0： 一，一1,fxfo 图26双喷嘴挡板阀切断负载时的特性孙=A吲Qt =C棚。后zz，=乱10_嚣(223)K：一丝I：一C,死DNx；o(224)。最l。p风16哈尔滨工程人导硕十学位论文零位泄漏流量为厅iQ。观c咿碱z，0 J号(2-25)将这些关系式与单喷嘴挡板阀的相应关系式比较，可以看出，两 者的流量增益是一样的，而压力灵敏度增大了一倍，很明显这是双喷 嘴挡板阀差动工作的结果，这使零位泄漏流量增加了一倍，与单喷嘴 挡板阀相比，双喷嘴挡板阀由于结构对称还具有以下优点：因压力变 化而产生的零漂小，即零位工作点的变动小：挡板所受的液动力小压 力一流量曲线的对称性和线性好。24液动力对喷嘴挡板的影响PxfP2图27作用在挡板上的液动力如图27所示，首先研究单喷嘴的情况。我们假定：1)喷嘴端部 是锐边的2)喷嘴与挡板间的距离与喷嘴孔直径相比是很小的(通常z，。D。=；去)a在这些假定条件下，作用在挡板上的液动力是由喷嘴孔处的静压力和射流到挡板上的动量所产生，即F+=P叠N+p Q。vN啦一261式中R一喷嘴孔处的压力；哈尔滨工程大学硕士学位论文A：型薯一喷嘴孔的面积瓯=VnA。通过喷嘴iL的流量：v。一喷嘴孔断面上的平均流速。压力P可由伯努利方程求出只=只一二I2(227)代入式(2-26)可得F。=(Pa+1，2)A。(228)喷嘴孔断面上的平均流速可由下式求出，矿：盟：鱼堡堕!二立丛!塑垒1山：4C(X：o-x：)厄p)ea碱4(229)D将此式代入式(228)，则得小学Is。，这就是作用在单喷嘴挡板阀上的液动力方程。在喷嘴与挡板之间 的间隙(x，。一Xf)很小时，式(230)中括号内的第二项就可以忽略，作用在挡板上的液动力就近似地等于静压力与喷嘴孔面积的乘积。当挡板间隙(x。一Xf)增加时，由于射流动量的增大而使液动力增大。当挡 板偏离喷嘴的距离较大时，作用在挡板上的液动力仅由射流动量所决 定，此时液动力可达喷嘴被关死时的液动力的两倍，但是，这样大的 距离在挡板阀中是不会碰到的，因为一个优良的设计要求，这个准则 使式(230)中括号里的第二项比1要小得多。上面讲过，射流动量随挡板间隙增大而增加，由此引起的液动力 增量与挡板的运动方向一致，因此液动力具有负刚度。在xf=O及哈尔滨L程大学硕士学位论文Pa=12n的零点处求式(2-26)的导数值，可得零位液动力刚度为剿：_4以；胁肿出，l”(2吲) 这种负刚度具有一种不稳定的作用，因此要求驱动挡板的动力源 具有较大的正剐度来与之相抵偿。但是，这种负刚度一般都很小，因而不会引起什么问题。 作用在单喷嘴挡板阀上的不平衡液动力，要求系统有一个微小稳态误差以使操纵元件提供一个平衡力。通常，既可以用一个弹簧来平 衡这个力，也可以在挡板的另一面装一个小活塞并以压力P。作用在活 塞面积上以阻止产生误差。在浮子挡板一喷嘴结构中，是由浮力来产生 的。下面我们研究双喷嘴挡板阀上的液流作用力。参看图24l。每一个喷嘴在挡板上所产生的液动力可由式(230)求出，即一J竿Isz，一t+警ss，作用在挡板上的净液动力为R一尼=一刚月一4贮刍kx，ox，)2只一(x，o+x，)2最J=PLA一47配2 x2fbPL+A72 x2jPL一毡，；xfnPsxf妲一34)在喷嘴挡板阀中，通常z，0D”2；素在零位附近只xfo，故式(234)中的第二项和第三项可以忽略掉，近似地写为E一疋=忍山-(8nC；rPsx：o讧，(2-35)这是双喷嘴挡板阀液流作用力方程的线性形式。式中第二项近似 为射流动量所产生的液动力。同样的，在P一定时液动力刚度为负值，哈尔滨T程大学硕士学位论文且为单喷嘴挡板阀的2倍。挡板的运动方程可写为乃=以孑d20+勘警+KaO+(F1一砂(2136)式中T。一作用在挡板上的驱动力矩： Ba一挡板的粘性阻尼系数； Ka一支承挡板的扭簧的扭转刚度； r一喷嘴轴线至挡板扭轴的距离； 口一挡板相对于平衡位置的转角。因为p角很小，可以认为tan疗：三。口(237)将式(235)代人(236)并置换口，最后得乃=了da鲁+_Baia&：+吃A+降-(8码觋。)卜(2-38)。l，2、7。r 西2r出为了防止挡板可能出现的不稳定现象，必须使扭转弹簧刚度Kar2大于激流力的负刚度(8万C刍Psx，。)。但是，这不是保证挡板稳定性的唯一条件。因为在方程中所包含的负载压差P。取决于挡板上的负 载，因此挡板阀的稳定性还受到负载动态的影响，总的稳定性必须对 阀所在的系统进行分析后才能确定。25喷嘴挡板阀的设计喷嘴挡板阀的设计比较简单，参数的选择计算主要是确定喷嘴直 径D。挡板的零位间隙x，。和固定节流口直径D0。喷嘴直径可根据系统要求的流量增益确定。由式(222)可求出喷 嘴直径为D。=二!F(2-39)。Ca：x、Psp通常D。在0312毫米的范围内。 零位间隙的最大值可以这样确定：使喷嘴面积比喷嘴和挡板间的哈尔滨程大学硕+学位论文环形节流面积充分大，以保证环形节流面积是可控的节流口，避免产 生流量饱和现象。通常取蛾孙(i11孕经简化，得到跏争鲁(2-t 0) 前面已经讲过，零位间隙取得小些，可以提高压力灵敏度，减小 零位泄漏量，但对水中污物敏感，容易堵塞。芹，。一般可在00250125毫米之间选取。在D。和X，。确定以后，由式(2-3)可求得固定节流口直径为Do=2iCa。)；胁1-1_(2_41)当取PooPs=妄时，则得Z，11Do=2(兰生Dx邝)i(242)LdO：ftXoDN=i1而1，C4rCao=08时，DND。“162_3，这是经常 使用的参数范围。实际上，平衡压力只。在03Ps07Ps的范围选取， 也可以得到良好的性能，此时由式(2-41)可求得相应的Dn。值范围为162(c矿DNx，0Cdo)“2到248(c0Dx，0Cao)1”。通常优先采用和07尸s 相应的较大的Do值，以提高抗堵塞的性能，但这要使零位泄漏流量和 液动力增大。由于锐边节流口具有可预计的特性并且对温度变化不敏感，因此 为人们所欢迎。但孔径很小的薄壁锐边节流口加工十分困难，价格较 高，因而限制了它的使用。通常采用短管型节流孔作为固定节流口， 其长度与直径的比一般为24。流量系数巴。要比锐边节流口大，其范围一般为0809。喷嘴与挡板间的可变节流口的流量系数c，的确哈尔滨f：f大学硕士学位论文定是比较复杂的。实验结果表明，c。不但与雷诺数船有关，而且与喷嘴前端的几何形状和间隙X。的大小有关，如图3-9所示。在喷嘴端 面厚度与间隙之比小于2，即三2时，可变节流口可认为是锐边的， 其流量系数Cd为06左右。当Lx。较大时，液流自喷嘴出流后，与喷嘴前端的环状壁面重新贴附，使流量系数增大，而且随着雷诺数增大 有所增加，此时流量系数还要受到温度变化的影响。因此，喷嘴前端 应尽可能做得尖锐些，三x，。应尽可能小些。这样，不但使流量系数对温度的变化不敏感，其