背压对安全阀排放能力的影响分析

背压p_b是安全阀出口处存在的压力，它是影响安全阀排放能力的主要因素之一。因此，一直以来是科研人员和工程技术人员重点研究的内容。

图5⁃20 帘面积和喉部面积示意图

在安全阀口径计算时，采用了理论分析的结论，即将安全阀等同于理想收缩喷嘴。对于一个给定的进口压力存在一个临界流动出口压力p_cf，其数值只与进口压力和流体介质有关，为

式中：p_cf为安全阀出口临界流动压力（绝压）（MPa）；p_in为安全阀进口压力（绝压）（MPa）；κ为在排放时进口状态下的等熵指数（对于理想气体，等于比热容比）。

若p_b≤p_cf，则流动为临界流动，排放能力仅取决于喉部面积和进口压力，背压的变化不会影响安全阀的排量。

若p_b＞p_cf，则流动为亚临界流动。在此流动状态下，受背压的影响，在喉部面积和进口压力相同的情况下，安全阀的排量能力相对于临界流动要降低，且背压越大，排放能力被削弱的程度越大。

该观点简单明确，便于工程应用。但是早在20世纪，多位研究人员通过试验研究的方法，就已经发现这一结论存在着问题。试验表明，即使背压小于临界压力，排量仍然会随着背压的变化而改变。总结起来，试验研究所形成主要结论和观点有四个：

1）安全阀的流动不同于理想喷嘴，但仍然存在一个临界压力比，但其数值要低于理想收缩喷嘴的数值。

2）安全阀流场中不可能出现临界（超声速）流动，因此排量会始终受背压的影响。

3）不同开启高度下，排量系数随背压的变化规律不同。

4）安全阀最小流道的位置随背压变化而变化，流通面积随背压的增大而减小，这是排量系数随背压增加而减小的原因。

通过大量的流场计算后，证明第1、第2种观点是不正确的，而第3、第4种观点是正确的。下面是具体的研究结论。

表5⁃1是在三个不同开启高度、不同背压下的计算排量系数数值。变化曲线如图5⁃21所示，其中曲线1～曲线3分别为安全阀在三个不同开启高度下，计算排量系数随背压比（p_b／p₀）的变化曲线，曲线4为理想喷嘴排量系数随背压比的变化曲线。

表5⁃1 不同开启高度、不同背压下计算排量系数数据表

图5⁃21 理想喷嘴和不同开启高度下安全阀计算排量系数的背压变化曲线

从图5⁃21中可以看出，不同开启高度下，背压对安全阀排放能力的影响规律是不同的，表现为两种不同的状况。

当h／d₀＝0.15和h／d₀＝0.5时，其规律均与理想喷嘴的相似，即存在一个临界压力比，当背压与进口压力之比小于此数值时，安全阀的排放能力基本不随背压而变化，当大于临界压力比时，排放能力随背压增加而下降。

当h／d₀＝0.3时，安全阀排量随背压变化的规律与理想喷嘴的完全不同，不存在一个临界压力比数值，安全阀的排量始终随背压的增大而减小，即使在背压比很小的情况下，排量系数仍会随背压变化而变化。而且，随背压比的增大，排放能力的下降程度加剧。

图5⁃22、图5⁃23和图5⁃24所示分别为安全阀在不同开启高度下、不同背压力下超声速流动区域的马赫数云图。借助于这些图形可以清楚地分析出背压力影响安全阀排放能力的机理。

1）h／d₀＝0.15和h／d₀＝0.5。背压较小时，在流场中存在一个超声速流动区域，而且超声速流动充满了某些流动截面。当h／d₀＝0.15时，在阀座和阀瓣密封面之间的流场区域，全部为超声速流动；当h／d₀＝0.5时，在阀座出口形成超声速满流。由于压力扰动是以声速向外传播的，因而位于流动下游的背压力的任何变化都无法突破超声速流动区域传递到上游。因此，临界流动截面以及它上游流场区域的各项流动参数不会随背压的改变而变化，所以流量也保持不变。随着背压的增加，超声速流动区域越来越小。当背压达到某一极限值时，超声速流动区域缩小到无法充满流动截面时（图5⁃22和图5⁃23中p_b／p₀＝0.5时的流动），背压的扰动就会一直传到上游，影响所有流动区域内的流动参数，排放能力自然也会受其影响，随背压的增加而下降，其临界压力比为0.4～0.5。

2）当h／d₀＝0.3时，背压即使很小，超声速流动也不能充满任一流动截面（图5⁃24），因此下游的压力扰动会影响整个流动区域。反映到排量⁃背压曲线上，就是不存在临界压力比，排量系数始终受背压的影响。

图5⁃22 h／d₀＝0.15时不同背压下安全阀内部流场中马赫数云图（Ma≥1）(www.xing528.com)

a）p_b／p₀＝0.1 b）p_b／p₀＝0.3 c）p_b／p₀＝0.4 d）p_b／p₀＝0.5

总之，安全阀内的流场形态，决定其排量⁃背压特性。如果流场中存在一个充满全流动截面的超声速流动区域，则其排量⁃背压特性类似于理想喷嘴的，即存在一个临界压力比；否则，不存在临界压力比，排量系数始终受背压的影响。

图5⁃23 h／d₀＝0.5时不同背压下安全阀内部流场中马赫数云图（Ma≥1）

a）p_b／p₀＝0.1 b）p_b／p₀＝0.3 c）p_b／p₀＝0.4 d）p_b／p₀＝0.5

图5⁃24 h／d₀＝0.3时不同背压下安全阀内部流场中马赫数云图（Ma≥1）

a）p_b／p₀＝0.1 b）p_b／p₀＝0.3 c）p_b／p₀＝0.4 d）p_b／p₀＝0.5

5.下调节圈位置对安全阀排放能力的影响

调节圈是设置在安全阀内部的一个可对安全阀动作性能实现微调的调节机构。设置调节圈的目的有两个：一是用以补偿安全阀实际状态与设计状态的偏差，这里包括弹簧实际刚度与理论计算刚度的偏差，也包括其他零部件加工及装配等过程中产生的与理想设计状态的偏差；另一方面，对一台安全阀或是一根弹簧而言，不是只用于某一固定的压力点上，而是某一允许的整定压力范围内，这就需要通过调节圈的调节，使在该压力范围内，安全阀的动作性能均能满足要求。

工程设计时，希望调节圈位置的变化仅改变安全阀的动作性能，而不会对其排放能力造成影响。安全阀标准中规定，在进行安全阀排量试验时，阀门的状况应与进行动作性能试验时相同，其中就包括其调节圈的位置应与动作性能试验时的相同。而且，在建立排量系数随阀门开启高度变化的曲线前，先应通过试验来确定调节圈位置是否会引起排量系数的变化，如果发生了变化，则需要补充建立有关这些变化的曲线。

为了研究下调节圈位置对安全阀排放能力的影响规律，笔者进行不同开启高度下、不同下调节圈位置下的流场计算。图5⁃25所示为不同开启高度下，安全阀计算排量系数随下调节圈下调齿数的变化曲线，从中可以看出，在高开启高度下，排量系数基本上不随下调节圈位置的变化而改变；而在低开启高度下，排量系数变化相对比较明显。

图5⁃25 不同开启高度下，排量系数随下调节圈位置的变化曲线

不同开启高度、不同调节圈位置下安全阀的排量系数数值见表5⁃2。从表5⁃2中可以更清楚地看出，随着开启高度的增加，下调节圈位置变化对排量系数的影响越来越小。当开启高度达到0.30d₀时，排量系数基本上不再随下调节圈位置变化而变化了。

图5⁃26所示为不同开启高度、不同调节圈位置下安全阀内部流场中马赫数大于1的数值云图。借助于这些图形可以清楚地分析出下调节圈位置影响安全阀排放能力的机理。

表5⁃2 不同开启高度、不同调节圈位置下排量系数计算数值

图5⁃26 不同开启高度、不同调节圈位置下安全阀内部流场马赫数云图（Ma≥1）

a）h／d₀＝0.1，0齿 b）h／d₀＝0.1，60齿 c）h／d₀＝0.25，0齿 d）h／d₀＝0.25，60齿e）h／d₀＝0.45，0齿 f）h／d₀＝0.45，60齿

在开启高度较低（h／d₀＝0.1）时，下调节圈位置不同，安全阀内部的流场形态不同。齿数为60时，在阀座与阀瓣之间形成超声速流动；随着下调节圈向上移动，其与反冲盘形成的流道越来越狭窄，由此该区域的流阻越来越大，当超过某一临界数值时，声速流动就无法在阀座与阀瓣之间出现，而是移到下游，下调节圈和反冲盘围成圆台侧面成为流场的临界截面。正是流场形态的这个改变造成了排放能力的改变，排放能力随下调节圈位置的增高而下降。

但当开启高度达到一定数值（h／d₀＝0.45）以后，无论下调节圈位置如何变化，其引起流道面积的变化相对很小，不会造成压力场巨大的变化，也就不会使流场中超临界流动区域位置发生变动。排量系数数值因此而不再随下调节圈位置变化而改变。

总之，在不同开启高度下，下调节圈位置对安全阀排放能力的影响程度不同，其原因在于对流场形态的影响程度不同。安全阀的排放能力是否会受下调节圈位置的影响，不是取决于最小几何流通面的位置，而是受制于最小实际流通面的位置，即形成声速和超声速满流区的位置。即使开启高度已经达到了全启式安全阀定义中所规定的h／d₀＝0.25，喉部面积已经小于其他流通面积，但由于在该位置还没有形成声速和超声速满流，因而排放能力依然会受下调节圈位置的变化而改变，只有开启高度进一步提高且在喉部形成超声速满流以后才不会再改变。