安全阀升力特性研究及影响因素分析

研究安全阀的升力特性是开展安全阀动态特性研究的基础。

（1）升力的定义 力是介质作用于安全阀运动部件（阀瓣、反冲盘）上垂直向上的合力。如图5⁃28所示，运动部件下方受到来自阀门进口的介质作用力F_介；运动部件上方受到阀体腔内介质作用力F_背。

图5⁃28 阀运动部件升力分析图

两个力在垂直方向上的合力就是安全阀升力，即

F＝F_介＋F_背（5⁃4）

升力有时还用下式表示：

F＝π

4d²

0

p₀ρ_s（5⁃5）式中：F为阀瓣升力（N）；p₀为安全阀进口压力（MPa）；d₀为安全阀阀座喉部直径（mm）；ρ_s为升力系数。

升力系数是一个量纲为1参数，表示阀瓣升力与进口压力为p₀的介质在喉部截面积上所产生的压力之比。研究升力特性就是研究除进口压力和喉部面积以外的各种因素对安全阀升力（升力系数）的影响规律。

（2）升力特性研究的方法

1）升力试验。利用试验方法可以开展升力特性的研究，即建立试验的工艺系统（图5⁃29），在试验阀的阀杆上安装测力传感器（图5⁃30），改变试验阀的结构和工况参数设置，通过测力计测量作用在运动部件上的力，此力即为升力的数值。

图5⁃29 试验系统原理图

图5⁃30 试验用安全阀简图

1—阀座 2—阀体 3—定位螺钉 4—下调节圈5—阀瓣 6—反冲盘 7—导套 8—阀盖9—调整螺钉 10—锁紧螺母 11—上阀杆12—螺母 13—拉压力测力传感器 14—下阀杆

2）基于动量方程的升力计算。如图5⁃31所示，选取阀座出口到反冲盘出口的流道区域为控制体，沿Y坐标轴负方向列动量方程为F_D－F_seat·y－F_in·y－F_out·y＝mv_out·y－（－mv_in·y）

（5⁃6）式中，F_D为运动件下表面对控制体的作用力，介质对运动件的作用力（即升力）与其数值相同，方向相反；F_seat·y为阀座固壁面对控制体的作用力，其数值等于阀座固壁面处压力（平均值）与作用面积的矢量乘积在Y轴上的投影；F_in·y为进口表面对控制体的作用力，其数值等于进口面压力（平均值）与作用面积的矢量乘积在Y轴上的投影；F_out·y为出口表面对控制体的作用力，其数值等于出口面压力（平均值）与作用面积的矢量乘积在Y轴上的投影；m为流过控制体的质量流量；v_in·y为进口表面上速度（平均值）矢量在Y轴上的投影；F_out·y为出口表面上速度（平均值）矢量在Y轴上的投影。

图5⁃31 基于动量方程的升力计算示意图

F_D与安全阀进口介质对运动部件的作用力F_介是作用力与反作用力的关系，因此求解公式（5⁃7）可以得到F_介的数值。

美国电力研究所在20世纪80年代初所主持编写的“COUPLE”计算程序，其升力计算就是采用了这个方法。

3）基于CFD的升力计算。FLUENT软件可以计算和报告沿着某个矢量方向的作用力，利用这个功能可以得到安全阀的升力。其数值等于介质作用在运动件表面（图5⁃28）上的压力和黏性力在Y方向上分量的总和。

基于CFD的升力特性研究方法是：针对所研究的对象建立数值仿真计算模型，改变模型的计算域和边界条件，研究各因素调整后，计算升力的变化规律。以下将介绍利用CFD方法所开展的升力特性研究工作。

（3）升力随开启高度的变化规律 安全阀排放时，工作介质从进口流入，经由阀座、阀瓣、下调节圈和反冲盘围成的流道进入阀体腔，最后从出口流出。整个流道中任何一处的几何形状或尺寸发生变化，都将对升力产生影响。而且各因素之间是相互制约的，某一个参数发生变化，有时会使其他参数对升力的影响规律也发生变化。而其中最核心的影响因素就是开启高度。图5⁃32所示为分别利用试验方法和CFD方法所获得的升力系数⁃开启高度特性曲线。

1）由结果可见，安全阀开启过程中，其升力变化的变化规律如下：(www.xing528.com)

①当开启高度很小（h／d₀＜0.022）时，安全阀升力在初始密封力基础上迅速增加。

②升力波动上升，在h／d₀＝0.174时达到最高峰值，而后升力值随开启高度的增加，先急速降低再略微升高。

为了进一步分析升力的影响规律，将运动部件上的受力面划分为四个区域：阀瓣区域、蓄压腔区域、反冲盘区域和背压区域，如图5⁃33所示。总升力是各区域产生升力

图5⁃32 安全阀升力特性曲线

的矢量和。将各区域产生的升力进行细致的分析研究，总结出各区域对升力的贡献情况，如图5⁃34所示。

图5⁃33 安全阀流道示意图

1—反冲盘区域 2—蓄压腔区域3—背压区域 4—阀瓣区域

图5⁃34 总升力及各部分升力贡献

2）随着开启高度从低到高的变化，各部分升力变化如下：

①阀瓣区域产生的升力基本保持不变。

②蓄压腔区域产生的升力随着开启高度的增加而相应递减，而且在较低开启高度时，变化得更明显。

③反冲盘区域产生的升力在相对开启高度小于0.05时基本保持不变，且数值较小；相对开高在大于0.05且小于0.2这一区间内，随开启高度的增加升力逐渐变大，表明反冲盘的反冲作用逐渐显现；相对开启高度大于0.2之后，这部分升力趋于平稳。

④随着阀门开启高度增加，阀体腔内介质逐渐增加，因此在背压作用区域产生的阻碍运动部件开启的力随开启高度增加数值逐渐增大。

（4）下调节圈结构及其位置对升力的影响规律 下调节圈与阀瓣和反冲盘之间围成的流道区域称为蓄压腔。下调节圈结构及其位置会改变蓄压腔处的压力或作用面积，使介质升力发生改变，进而改变安全阀的动作性能。但是，下调节圈对升力的影响仅限于开启高度较小时，随着开启高度的增加，其影响越来越小。

图5⁃35所示为不同下调节圈位置下，升力随开启高度的变化曲线，从中可以清楚地看出这个规律。较低的开启高度下，升力变化显著，随着开启高度升高，下调节圈的调节作用就越来越不明显。

图5⁃35 不同下调节圈位置下，升力随开启高度的变化曲线

（5）反冲盘结构对升力的影响规律 反冲盘对升力真正产生影响是发生在安全阀开启后。一旦阀门已经开启，反冲盘区域便会建立起很高压力。这是由于突然的流量的增加以及由反冲盘裙边的内沿与调节圈外径所围成的另一个环形流道上的节流所造成的。

反冲盘对升力的影响规律主要取决于以下两个因素：反冲盘裙边内沿与下调节圈的相对距离和裙边的高度。

反冲盘裙边与下调节圈的相对距离发生变化，会改变反冲盘区域内压力场的分布，改变介质的流速大小和方向，因此它是影响升力的主要因素之一。相对距离越近，两者所围成的泄放通道就越小，节流效果就越明显，会造成反冲盘区域的介质压力越高，升力越大。但两者的距离不能太近，否则将引起流道临界截面的变化。图5⁃36所示为安全阀开启时反冲盘与下调节圈间流道的局部示意图。流体从下调节圈与阀瓣间的环形流道流出后，发生折转，在折转时必然发生流体的分离，形成低速回流区。回流区的存在将使实际流道面积小于几何流道面积。当反冲盘裙边与下调节圈之间的距离在某一范围以外时，这一流道面积的减少仅是改变了局部压力场的分布。而当反冲盘裙边与下调节圈相距很近时，气流折转处的实际流道面积会小于阀座喉部面积，使安全阀的排放能力下降。

图5⁃37所示为三种不同反冲盘裙边高度的安全阀的升力特性曲线，从中可以看出，开启高度较小时安全阀反冲盘的裙边高度变化对安全阀升力影响并不明显，但随开启高度增大，反冲盘裙边越高，对流动介质产生的流阻越大，受力面上的压力水平升高，因此产生了更大的升力。因此，高的裙边高度会有利于安全阀保持较高的开启高度下，稳定排放，但是不利于回座，反之亦然。因此，在结构设计时要选择适当的裙边高度。

图5⁃36 安全阀反冲盘与下调节圈间流动示意图

图5⁃37 不同反冲盘裙边高度下，升力随开启高度的变化曲线