弹簧式安全阀的排量与开启高度(2)

　　从式(2)知道,当气体压力下降时,其比容υ和流速V 都将增加,如果随着压力的下降,其比容的增加率dυ/υ大于其流速的增加率dV/V ,则由式dA/A > 0,得d A > 0,即喷管的截面积应当是逐渐增大的(渐扩形) 。反之,如果随着压力的下降,其比容的增加率dυ/υ小于其流速的增加值dV/V ,则由式dA/A < 0得dA < 0,即喷管的截面积应当是逐渐缩小的(渐缩形) 。

　　当渐缩管出口处流速V₂ 达到声速C时,流量可获得最大值。但必须指出, 气体不是在任何情况下都可以通过喷管得到流速V₂ =C的,其主要依据是气体压力P₁ 与外界压力(背压力)的比值。对于拉伐尔喷管,在其喉部气流速度已达到声速时,流量也已达到最大值,虽然渐扩段气流的速度继续在增加,但其流量不会增加了,这是因为气流速度的增大只是由于气体的膨胀,而质量流量不再增加的缘故。

　　气体通过喷管的流速对进口状态一定的气流只取决于出口处气体的状态,也就是说取决于出口外界的压力,即喷管的背压力P₂ , 此时出口的气流速度V₂ 为

　　式中V₁、V₂ 分别为阀门进、出口气体的流速,h₁、h₂分别为阀门进、出口气体的焓。通常由于V₁相对于V₂是很小的,可以认为V₁≈ 0,由此得

　　由于喷管内是稳定的绝热过程,将理想气体的焓代入式(4)得

　　式中P₁、P₂ 分别为阀门进、出口的气体压力, K为气体的绝热指数。

　　当阀门进口气体状态稳定以后,喷管任一截的气体流速仅取决于该处的状态, 主要是压力。因此可以认为气体流速取决于压力比P₂/P₁。在临界流速时的压力比(临界压力比)为

　　从式(6)可以得出, 气流通过喷管时能否达到或超过声速,主要应取决于喷管出口压力P₁与进口压力P₂之比,只有当P₂/P₁ ≤ ( P₂ /P₁ ) C时,才有可能。

　　分析结果证明,采用拉伐尔喷管的全启式安全阀,当其开启高度大于等于1/4喉径时(帘面积大于等于喉径截面积) ,即排放通道为开放式通道时,安全阀的排放量与开启高度无关。只有对喷管和安全阀的结构进行合理的设计,提高排放效率,才有可能使排量增加。

4.2、拉伐尔喷管的效率

　　由于喷管的设计与气流的状态等原因,气流流速不可能都在喷管喉部直径处达到声速。同时, 由于安全阀阀瓣正处于喷管正上方、使气体流束转向,而不能直接通向大气。阀体的结构也决定了气流只能向一个方向流动排放, 不能直接通向大气。这些都增加了排放时的阻力,使喷管的效率降低。

　　另外,气流在通过喷管时,由于气流的扰动引起的内摩擦,以及气流与管壁摩擦产生能量损失。以上这些都使得出口气体的实际流速V₂ ′小于其理论计算值。

　　若用流速系数ψ表示气流的损失情况。则

ψ =V2 ′/V2

　　而喷管效率ηn 为

　　从式(7)也可以得出拉伐尔喷管的效率(排量)与开启高度无关,只与气体的流速有关。

4.3、压缩弹簧的工作区间

　　为了达到安全阀在工作压力下的密封性要求,弹簧施加一定的预紧压缩量。当安全阀开启排放时,在排放压力下弹簧继续受压并达到最大的压缩量。GB1239/76规定,压缩弹簧工作变形量应在全变形量的20%～80%范围内选取。当要求刚度时,工作变形量应在全变形量的30% ～70%范围内选取。因此在设计安全阀时,一般都考虑到安全阀处于最大工作压力(排放压力)时,将弹簧的变形量控制在一定的范围内,以使弹簧保持优良的性能。在安全阀排放弹簧受压时,能够有效地积蓄能量,在规定的压力下,使阀瓣及时关闭。

5、结语

　　采用拉伐尔喷管的全启式安全阀,当其开启高度大于等于1/4喉径时,可得出几点结论。

　　(1)排量与拉伐尔喷管的效率有关,与开启高度无关。高效率拉伐尔喷管的气体流束最小截面应与喷管的最小截面相重合,即气体应在喷管的最小截面处获得音速。

　　(2)排量与安全阀的结构设计有关,与开启高度无关。结构设计时,应充分考虑气体的流动,尽可能减小结构造成的流阻增大及背压的升高,以免影响排放效率。

　　(3)除了一些特殊需要(如必须控制一定的排量)的阀门应控制阀门的开启高度外,一般不应对其开启高度过于限制。阀门最低开启高度应在设计时考虑,只要不低于标准规定值,弹簧的压缩量又在规定范围内,安全阀的各项性能指标也达到了有关标准的要求,合理设定开启高度能够减少产品零件和装配工时,提高生产效率,降低产品成本。