1、本科課程設計題 目： 過程流體機械課程設計 學 院： 機械與自動控制學院 專業班級： 過程裝備與控制工程 姓 名： 學 號： 二O一六年七月目 錄摘 要 I第一章 工作原理和設計方法 1 1.1 工作原理 1 1.2 設計方法 11.2.1 球閥結構 11.2.2 球閥材料 21.2.3 閥體 31.2.4 球體 41.2.5 閥桿 4第二章 球閥尺寸計算6 2.1 閥體 6 2.2 閥桿 62.2.1 閥桿尺寸 6 2.3 球體尺寸計算 62.4 密封比壓 62.5 球閥轉矩 92.6 法蘭螺栓校核 102.7 法蘭選型 11 第三章 數值模擬計算方法 12 3.1 數學模型12 3.2 網

2、格劃分13 3.3 邊界條件14 3.4 CFD使用步驟14第四章 管道內流體模擬結果分析 15 4.1 球閥在不同相對開度時的速度分析 15 4.2 球閥在不同相對開度時的壓力分析 164.3 球閥在不同相對開度時的流量系數分析 17第五章 總結 參考文獻 摘要本學期過程流體機械，我組所做課程設計為V型球閥。V型球閥屬于固定球閥，也是單閥座密封球閥，調節性能在球閥中比較有優勢。本設計說明根據已知的球法者及經驗對DN100mm,PN 1MPa的球閥進行設計，主要包括了材料選擇，結構設計，尺寸計算，強度校核，三維建模，CFD數值模擬分析等。并且，盡量式結構在滿足其工藝要求的前提下，降低結構的復雜

3、性。本設計中，根據老師給定的數據和已知條件進行設計，并根據國家標準和設計手冊進行選材。設計期間用到了solidworks進行三維建模，并建立了流道圖，用到了gambit進行網格劃分，設置邊界條件，用fluent進行對不同開度時的流道進行壓力和速度分析并獲得相應云圖。通過以上軟件完成對V型球閥的分析計算。并未以后的相應工作打好相應的基礎。關鍵詞：結構設計，尺寸計算，強度校核，數值分析 第一章 工作原理及設計方法1.1 工作原理具有與截止閥相同的旋轉90度提動作，不同的是旋塞體是球體，有錐形通孔或通道通過其軸線。當球旋轉90度時，在進、出口處應全部呈現球面，從而截斷流動。球閥的主要特點是本身結構緊

4、湊，易于操作和維修，適用于水、溶劑、酸和天然氣等一般工作介質，而且還適用于工作條件惡劣的介質，如氧氣、過氧化氫、甲烷和乙烯等。球閥閥體可以是整體的，也可以是組合式的。V型球閥是中央有通孔的球作開關的閥門，傳統上分為浮動V型球閥和軸耳固定V型球閥兩種。浮動V型球閥的開關球經閥座密封對接在閥體中轉動，轉動到通孔與通道口對準時為全通，轉動到通孔與通道口成一定角度時為全閉。浮動V型球閥的開關球通過槽與操作閥桿相連，在介質壓力作用下，可相對閥桿或閥體浮動在下游閥座上，從而實現關閉密封。軸耳固定V型球閥的開關球通過以閥桿為軸的軸耳固定在閥體上，在介質壓力作用下，不可相對閥體浮動，只能通過上游閥座的浮動實現

5、關閉密封。因此，浮動V型球閥的閥座可以是固定閥座，軸耳固定V型球閥的閥座是浮動閥座。總結：V型球閥座的結構和性能可通過閥座的截面基準等邊三角形來控制和調整，因此，凡V型球閥座皆可按等邊三角截面法設計，首先按結構和性能基本需要確定其截面基準等邊三角形，然后以截面基準等邊三角形為截面要素、截面成分或截面輪廓確定閥座截面，最后按具體需要選擇材料。實際上，按等邊三角截面法設計，V型球閥座和開關球一同變得極易標準化，而一旦標準化后，V型球閥座和球的設計僅在于按介質和介質壓力簡單確定材料。（等邊三角形截面法）1.2 設計方法1.2.1 球閥結構1.2.2 球閥材料球閥材料根據公稱壓力選用，由球閥設計計算手

6、冊查得可選 灰鑄鐵 HT 150 。如圖示：閥體選用HT150 L=21.5 MPa W=40MPa =11MPa1.2.3 閥體閥體為二分式閥體，法蘭連接，材料為HT150設計初始條件口徑：25mm 壓差：5000Pa 進口壓力：0.1MPa 公稱壓力PN=1MPa閥體壁厚設計： tB=5.892mm 所以 附加余量c = 5mm所以tB=6mm1.2.4 球體 確定球體直徑: 對于通孔球徑，球體半徑一般按R=（0.80.95）d計算 對小口徑R取相對大值，反之取較小值為了保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后，須按下式校核:Dmin=D22-d2R=24mm 根據以上可選球徑為R=2

7、4mm,A=10mm,H=6mm。1.2.4 閥桿 閥桿的確定可由球體的直徑來確定，由球體直徑D=48mm，查閥門設計手冊可選閥桿：第二章 球閥尺寸計算2.1 閥體口徑：25mm 壓差：5000Pa 進口壓力：0.1MPa 公稱壓力PN=1MPatB=5.892mm 所以 附加余量c = 5mm所以tB=6mm2.2 閥桿2.2.1 閥桿尺寸：由上述方法可計算：對于球徑R=24mm的球，可選用閥桿尺寸為：d=12mm, SR=50mm, h=5mm, d0=16mm, b=8mm。2.3球體尺寸計算：根據1.2.4可計算得球體的尺寸：對于通孔球徑，球體半徑一般按R=（0.80.95）d計算 對

8、小口徑R取相對大值，反之取較小值 。為了保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后，須按下式校核Dmin=D22-d2R=24mm根據以上可選球徑為R=24mm,A=10mm,H=6mm。2.4密封比壓確定當 qMFqq 時合格。密封封面材料：選用聚四氟乙烯 許用比壓q=17.5MPa 必須比壓qMF=a+cPNbM10球體中心面到法蘭兩端面距離 l1、l2 l1=R2-DMN24=20.4878 l2=R2+DMN24=19.49 n=l1-l2=1閥座平均直徑: Dm=DMW+DMN2=26.5液體對密封面的作用力:Q=4Dm2P=551.26 N實際比壓：q=4Q(DMN2-DMW2)

9、=4.42MPa閥座密封面寬度：bm=l1-l22-(DMW-DMN)2=1.80 mm對于聚四氟乙烯，其系數a=1.8 c=0.9 ，所以 qMF=3.38MPa綜上 滿足要求。2.5球閥的轉矩計算球體與閥座密封面間的摩擦力矩， F球體與閥座之間的密封力，F=N,N=Q/COS（N）;r摩擦半徑 R1+cos2=21.99mmR球體半徑=24mm為密封面對求中心的斜角；T球體與密封圈之間的摩擦系數，查表得=0.04。則Mm=NTr=727（Nmm）2.5.1閥體螺栓設計:1）操作情況 由于流體靜壓力所產生的軸向力促使法蘭分開，而法蘭螺栓必須克服此種端面載荷，并且在墊片或接觸面上必須維持足夠的

10、密緊力，以保證密封。此外，螺栓還承受球體與閥座密封圈之間的密封力作用。在操作情況下，螺栓承受的載荷為: WP=F+FP+Q式中 WP在操作情況下所需的最小螺栓轉矩（N）； F總的流體靜壓力（N），F=0.785DG2P； FP連接接觸面上總的壓緊載荷（N）,=2bDGmP； Q載荷作用位置處墊片的直徑（mm）墊片選用 GB9126.2-88 內徑Di=34mm D0=51mm 厚度 t=1mmDG=(Di+D0)/2=42.5mm 墊片的有效密封寬度 m=2.25比壓 y=15MPa 寬度 b=8.5mm則將各項數據代入可得螺栓工作載荷WP=F+FP+Q=7325.48（Nmm）2.6中法蘭螺

11、栓校核外部法蘭由之前的數據由閥門設計手冊表6-16查德 選系列代號1級法蘭。液體對密封面作用力QMJ=4DM2P=551.26 N螺栓預緊力可求得：Q1=4qminDMN2-DMW2=249.631 N球閥密封力Q= Q1+QMJ=800.89 N設 h=1mm 且 R=24mm DJH=58mm DMN=25mm DMW=28mm cos=KR=l1+l22R=0.833 為密封面對求中心的斜角Wa:預緊螺栓時所需的最小螺栓轉矩；Y：墊片或法蘭接觸面上的單位壓緊載荷；Q1：預緊力其強度校核可由公式：Wa=bDGY+Q Wa=3.14*8.5*42.5*15+249.63=17273.135K

12、N 根據公稱壓力以及所受的預緊力和尺寸，從GB 6188-2008選用等級3.6級，碳鋼，M8螺栓，預選4個，以下進行校核：由公式：L=WAL, W取Wa與Wp之間較大值；A=4*3.14*42=3768L=107301.653768=85.9095MPa L=180MPa 所以所選螺栓滿足其強度要求，校核成功。 2.7 法蘭選型 根據球徑48mm，選擇法蘭外徑為115mm的端法蘭，其螺栓孔中心直徑85mm，螺栓孔徑選14mm，螺栓選取M12，因為公稱壓力比較小，所以選取4個即可（其強度在上面也已經校核過，在此不作說明)，法蘭厚度16mm。中面法蘭經結合各種參數后，可得參數：法蘭厚度5mm，中

13、面法蘭邊長160mm，螺栓直徑選M8，4個，法蘭孔徑為公稱直徑85mm。第三章 數值模擬分析方法 3.1 數學模型（以20% 開度為例）3.2 網格劃分(以80%開度為例)3.3 邊界條件 3.4 CFD-Gambit使用步驟首先，將solidworks里建立好的流道圖以STEP格式導入到Gambit中去，然后設定流道尺寸，將流體改為水（液體），選擇k-epsilon(2 eqn)模式。在邊界條件下設定流體為水，進口壓力，水力直徑，出口壓力，水力直徑。在設置進出口為壓力進口壓力出口。最后導出mesh文件。第四章 管道內流體模擬結果分析4.1 球閥在不同相對開度時的速度分析 球閥在20%開度時的速度云圖球閥