专利名称：新型气动式高速排气/吸气阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于城市输水管道和压力流排水管路的一种阀门，采用气动式排气/ 吸气原理，具体的作用是消除管内压力波动，断流水锤等引起压力振动造成的管道冲击破坏。
背景技术：
目前，国内使用的排/吸气阀多是用于供暖方面的，用于给排水管道，特别是对于大口径长距离输水管道网中的进排气阀鲜少。而且供水方面的进排气阀多是采用以钢球为主体结构，在使用过程中进排气孔经常被泥土或杂物堵塞，球阀开闭失灵，且阀体自身较重，安装使用均不方便。已有技术是在排水管道上安装大孔排气阀和小孔排气阀构成的复合式排气阀，国内很多复合阀门已作改进，但是空气关闭压力仍然停留在0. IMpa以下，导致发生很多管内的空气上没有完全排除，排气阀已经关闭，从而严重影响管道过流能力的事件。很多的通气阀为了解决这一问题使用了一个浮漂件，对于采用浮漂件的阀门，重要的是当该阀门在闭合位置时该孔的闭合是密封的。例如，湖北沙市阀门厂(CN86206M8U) 生产了一种用于大口径给水管道的高速进排气阀，由一个大口径进排气阀和一个小口径进排气阀组成，可配套使用亦可单独使用，改进了原排气阀中采用了浮球，并调整了浮球的比重，经济安全，但是，浮球为非固定式，存在密封不严密的可能。株洲南方阀门厂生产出一种动力式高速进排气阀，解决了传统普通阀门在高速进排气方面的不足，采用了特殊的浮球直径，使得气流动力能够维持浮球在气流经过时处于悬浮状态，水柱上升时产生的浮力又足以使它浮起，且浮球顶端配有合适角度的圆锥锤，不会造成吹堵现象。但是流水锤在水位回落过程中由于无缓冲装置，巨大的冲击力易造成阀体的破坏，并且由于浮球是采用椭圆涉及，在运动过程中易变性，使用寿命大大的降低了。本发明对比现有其他应用于输水管道的进排气阀，在阀芯主体上做了创新和改进，采用圆球形钢球作为阀体，使受力均一，不易变形，延长使用寿命，降低损耗，节省成本； 球阀顶端的密封垫面可使密封垫与球阀之间密封可靠；导套上连接缓冲垫可降低球阀下降过程的力度，球阀的底端连接加长导向杆除导向作用外，还允许安装在不垂直的状态下使用，并可防止断流水锤等引起的压力振动造成的管道冲击破坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用气动式方式高速可靠排气，自动即时封严，不用电器元件，节能省电的智能阀。本发明的目的是由如下的装置来实现的。—种气动式高速进气/排气阀装置，该阀门包括阀盖和阀芯体两部分。所述的阀盖内连接有气体出口，气体出口在阀盖启开后与外界空气相连通。阀芯体空腔内依次装有排气口，浮球导轨，耐压浮球。耐压浮球的下端连接有导杆，导杆的下端插入导套内，导套上表面安装有缓冲垫，阀体的下端有气体进口，气体进口与阀体内腔相连通，其特征在于所述的气体出口下端连接密封垫，为保证该密封垫与耐压浮球紧密贴合，密封垫采用曲面设计。所述的阀芯体空腔采用圆形设计，三个排气出口在阀芯体腔壁上等距设置。所述的浮球导轨紧贴阀芯体腔壁，浮球尺寸大小需保证浮球与浮球导轨紧密贴合，且浮球设计采用中空的金属圆球。所述导向杆连接在浮球的正下方，导向杆的长度需保证浮球上升至最顶端处仍不与下端固定的导套相脱离。采用本技术方案，当排水管道开始注液时，原先充满管道的空气在流体的压力作用下将静止在导套上的耐压浮球吹起，管道中的气体沿着空隙进入阀体内腔中。在向上气流和9导杆的双重导向作用下，5耐压浮球沿着3浮球导轨垂直向上移动(但是由于耐压浮球本身的密度比空气大，因此无法到达2密封垫处)，8阀体内腔中的气体在后面流体的推动作用下，沿着8阀体空腔经过2密封垫，由7气体出口排出管道。当管道中的空气排尽后， 流体从12气体进口进入8阀体空腔中，由于5耐压浮球的密度比空气的大，但比流体的小， 因此5耐压浮球很容易被流体向上顶起，在浮力、液体压力和重力的共同作用下，5耐压浮球上升至2密封垫并与之紧密贴合，这样阀体自动关闭，且当流体压强越大，5耐压浮球与 2密封垫之间的压力也越大，即密封越严密，从而保证在管道通入液体的状态下保持球阀封严状态本发明的有益效果表现在①阀盖下连接的密封垫采用曲面设计，保证了耐压浮球在液体的作用下与之紧密贴合，保证了管内通入液体状态下保持封严状态。②浮漂件采用圆球设计，配合密封垫封严外，还由于圆球受力均勻，不易变形，从而可延长使用寿命，另外采用浮漂件中空的金属球，可根据不同液体的密度需求内部填充密度不同的填充物。③浮球导轨可以保证耐压浮球在上升或下降过程中沿指定的轨道移动，并且浮球轨道与空腔壁紧密贴合，避免了阀芯体空腔壁上的排气接口密封不严而发生液体泄露的可能。④阀门导向杆的导向机构仅通过一端连接在耐压浮球的下端，另一端插入导套内便能实现，导向机构结构简单，导向杆的直径仅需要较小的尺寸和一定的长度就能满足导向要求。⑤本发明结构简单，加工方便，成本低，重量轻，尤其是密封可靠，不论是管内压力波动，还是断流水锤等引起压力振动的情况下均可密封良好，浮漂件的设计更为合理，大大提高了使用寿命，可达到节能降耗的目的。
图1为本发明实施例的结构示意2为本发明实施例在气流排出过程中气流走向模拟3为本发明实施例耐压浮球在气流和水流作用下受力变化示意4为本发明实施例中耐压浮球的工作原理模拟图
图5-1为本发明实施例中流场模拟的网格分区5-2为本发明实施例中流场模拟的速度矢量5-3为本发明实施例中流场模拟的I区速度矢量5-4为本发明实施例中流场模拟的静压分布云5-5为本发明实施例中流场模拟的总压分布云5-6为本发明实施例中流场模拟的总温分布云6为本发明实施例中耐压浮球耐压性能测试装置简7为本发明实施例的流量特性测试装置简图
图8为本发明实施例V = f ( Δ ρ)的试验特性曲线图9为本发明实施例密封试验装置示意简1中1阀盖，2密封垫，3浮球导轨，4排气接口，5耐压浮球，6阀体，7气体出口， 8阀体内腔，9导杆，10缓冲垫，11导套，12气体进口图6中1试验箱盖，2试验箱，3不锈钢球，4手动打压泵，5,6测压表；图7中1供气管，2电控阀，3稳压整流段，4涡流流量计，5压差信号转换，6测量段，7测量管，8稳流管，9试验件，10传感器，11数据采集系统。图9中1试验件网，2压力表，3手动液压泵
具体实施例方式下面结合附图和实施方式对本发明做进一步详细的说明。参照图1，为本发明结构图，主要包括1阀盖，2密封垫，3浮球导轨，4排气接口，5 耐压浮球，6阀体，7气体出口，8阀体内腔，9导杆，10缓冲垫，11导套，12气体进口。所述的阀体6侧面有排气接口 4，排气接口 4与阀体内腔8相连通，阀体6内有浮球导轨3，浮球导轨3内有耐压浮球5，耐压浮球5与浮球导轨3贴合，耐压浮球5的下端连接有导杆9，导杆 9的下端插入导套11内，导杆9长度不宜过短，至少保证耐压浮球处在顶端时，导杆不与底端的11导套相脱离。导套11上表面安装有缓冲垫10，目的是为了防止浮球下落过程中，速度过快损坏浮球表面，起到保护浮球，延长使用寿命的作用。阀体6的下端有气体进口 12， 气体进口 12与阀体内腔8相连通。所述的阀盖1内有气体出口 7，气体出口 7下端连接有密封垫2，密封垫2与耐压浮球曲面贴合，气体出口 7与阀体内腔8相连通，阀盖1下端与阀体6相连通。实施方式I，结合图1图2和图3进行说明，本发明装置与排水管道相连通，在管道中还未注入液体时，管道内充满空气，耐压浮球5静止在缓冲垫10上。当管道内首次充满流体的时候，流体迫使管道内的空气从进口 12压到阀体内腔8中，气流走向如图2所示，瞬时强大的压力提供一个向上的冲量作用于耐压浮球下半部分，如图3(a)所示，瞬时的冲力 F1与球本身重量的合力是向上的，于是在合力的作用下原本静止且贴合在缓冲垫10上的耐压浮球5吹起，这时管道中的气体沿着空隙进入阀体8内腔中。在向上气流和导杆9的双重导向作用下，耐压浮球5沿着浮球导轨3垂直向上移动(但是由于耐压浮球本身的密度比空气大，因此无法到达2密封垫处)，阀体8内腔中的气体在后面流体的推动作用下，沿着阀体8空腔经过2密封垫，由气体出口 7排出管道(如图2所示)。即使排出的空气速度接近音速时，浮球也不会导致阀门关闭。当管道中的空气排尽后，流体从12气体进口进入8阀体空腔中，由于5耐压浮球的密度比空气的大，但比流体的小，因此5耐压浮球很容易被流体向上顶起，此时耐压浮球5的受力情况如图3(b)所示，在液体浮力Fff、减弱的冲力F2和重力G的共同作用下，由于所受合力Fg2向上，耐压浮球5上升至密封垫2并与之紧密贴合，这样阀体自动关闭，且当流体压强越大，耐压浮球5与密封垫2之间的压力也越大，即密封越严密，从而保证在管道通入液体的状态下保持球阀封严状态。实施方式II，由于管道内流体的回落降低或是液体压强不稳定，水泵断流等突发因素，导致阀体空腔中形成负压，即耐压浮球5上表面的压力大于下表面所承受的压力，此时的受力情况如图3 (c)所示，耐压浮球5在外部大气压力F3和重力G作用下合力F合3向下，沿导杆9的导向方向有向下回落的趋势，密封垫2与耐压浮球5的结合部脱离，于是外界的空气被吸入管道，平衡了管道内的负压，使管道内压强恢复正常，如此管道流动也恢复正常。实施方式III，当管道出现断流故障时，耐压浮球5下表面的浮力逐渐减小，内压强减小，此时耐压浮球的受力情况如图3(c)所示，耐压浮球5在重力和大气压强的作用下逐渐沿着浮球导轨3往下回落，密封垫2与耐压浮球5的结合部脱离，气体沿着阀盖1处的气体出口 7进入阀体空腔8并充满整个阀体空腔8，并且在大气压强的作用下，耐压浮球5 缓冲垫10弥合在一起，使管道内保持恒定的压强，起到保护管道的作用。进一步通过对耐压浮球5的工作原理进行了模拟试验分析其可行性，如图4所示。 图4为本发明在气流排出过程中气流走向模拟图，在气流排出过程中气流走向模拟图，在气流排出过程中，由流场分析，具有球密封面的阀口始终保持开启，但当水柱上升时浮子浮起球封闭阀口，用一圆盘盖住一个孔口，靠得很近，但不能封死，当气体从孔口逸出时，它会以扩散流的形式从所有方向射出，但却不会移动阻挡其射流的圆盘。该模拟过程说明气体从进气口 12进入后，从耐压浮球5的周围向上扩散，再由气体出口 7排出，验证了图2所示的气流走向是正确的。我们利用“FLUENT 6. 3”软件对气动式高速排气/吸气阀进行了流场数值分析，整个计算区域被划分为10万左右的网格，网格见5-1，实验模拟图见5-2——5. 5所示，分析得到如下基本结果①从图5-2可以看出，最大速度出现在面积最小的区域，最高速度为400m/s左右， 气流经过最小面积处(吼道)时开始分离，即主气流不再沿着球形壁面流动；②从图5-3可以看出，主气流沿球形壁面分离后，在其后区域形成了两个对称的回流区，回流速度很小；③从图5-4可以看出，进口速度最低，静压最高(绝对静压力伟167725Pa)，吼道处速度值最高，静压最低(绝对静压力121525Pa)。气流经过吼道后，速度逐渐降低，静压力逐渐升高。整个流场最大压差为86600Pa ；④从总压分布来看，总压沿着流路降低，进口总压最高，出口总压较低。在两个对称的回流区(如图5-5所示)，总压较低。气流在吼道附近，总压变化较大；⑤由于气流马赫数较高，考虑到气流的可压缩性，总温有一定的变化，但是变化不是很大，最高和最低温度相差15°C左右，出口温度高于进口温度。为验证本发明中浮漂件的可靠性，我们对其耐压性能进行了测试，试验简图如图6 所示。我们将试验腔油压打至8. OMpa，保持48小时再卸压，将钢球取出计量，钢球未出现变形(实际上，理论计算钢球能承受的油压力10Mpa)。为进一步验证阀的在流量特性试验中，如图7所示，先通过电控阀2将气源供气站提供的压缩空气进入试验室，控制来流流量，然后压缩空气进入稳流段3。待流动调稳后，压缩空气进入涡轮流量计4。涡轮流量后紧接测量段6。在此段测量气流总静压及温度。气流经一收敛段稳定后进入试验的阀。现有压力、温度、流量等数据，进入传感器10，再输入采集系统。利用气体力学流量公式G =....................................Φ...........................①G——重量流量kg/秒F——阀组件中控制流量的面积m2μ——流量系数取为0. 65g——重力加速度r——空气重度kg/m3Δ ρ-压差 kg/m2按容积流量公式V = Fyff.............................................②W——气流速度米/秒V——容积流量按伯努利方程式p + *pV2+Pgh = C得出ψ^^^β-Αρ.......................................③..............................③根据②、③得到γ =....................................④..............................④r 二你=丄 ....................................⑤..............................⑤
νP :空气密度千克(质量)/m3ν 比容m3/公斤(重量)根据状态方程Y = R....................................⑥........................⑥R 气体常数得:r =丄=忐.................................⑦.....................⑦
ν TR由⑦、④得V = Fμ^ ^^) tr =·—γ-........................⑧.....................⑧根据实验测出的重量流量，按⑧式，换算成容积流量。对试验结果进行整理，得出V = f(Ap)的试验曲线如图8所示，结果表明，实验测试值与理论计算值十分接近。为进一步验证本发明实施例的密封性，我们根据图9所示的装置进行密封性实验，实验的供给试验压力为1.5MPa，保持为lOmin，在试验时间内，无渗漏无变形形象，说明本发明密封性良好。以上所述，为本发明的具体实施方式
和性能测试结果，结果证明本发明球阀主要靠气动原理自动打开，高速排气十分可靠，耐压浮球在排进气过程中具有良好的耐压性能， 球阀密封性能良好，且在使用过程中，毋需使用电源，可达到节能降耗的效果。
权利要求
1.一种气动式高速排气/吸气阀，包括阀体和阀盖，其主要特征在于该发明装置由阀盖(1)，密封垫(2)，浮球导轨(3)，排气接口(4)，耐压浮球(5)，阀体(6)，气体出口(7)，阀体内腔(8)，导杆(9)，缓冲垫(10)，导套(11)，气体进口 (12)构成，其特征在于所述的阀体6侧面有排气接口 4，排气接口 4与阀体内腔8相连通，阀体6内有浮球导轨3，浮球导轨3内有耐压浮球5，耐压浮球5的下端连接有导杆9，导杆9的下端插入导套 11内，导套11上表面安装有缓冲垫10;阀体6的下端有气体进口 12，气体进口 12与阀体内腔8相连通；所述的阀盖1内有气体出口 7，气体出口 7下端连接有密封垫2，气体出口 7 与阀体内腔8相连通，阀盖1下端与阀体6相连通，
2.根据权利要求1所述密封垫( 连接在阀盖(1)下端为曲面设计，配合耐压浮球(5) 受压时紧密贴合。
3.根据权利要求1所述排气接口(4)等距安置在阀芯体空腔壁上，排气接口(4)的内侧紧贴着浮球导轨(3)。
4.根据权利要求1所述的浮球导轨(3)的大小需大于排气接口(4)的直径，长度也需长于阀盖(1)至排气接口(4)的最小高度。
5.根据权利要求1所述的导向杆(9)的最短尺寸需保证耐压浮球(5)上升至顶端时仍不与导套(7)相脱离。
全文摘要
本发明公开了一种新型气动式高速排气/吸气阀，该气动式高速排气/吸气阀由阀盖，密封垫，浮球导轨，排气接口，耐压浮球，阀体，气体出口，阀体内腔，导杆，缓冲垫，导套，气体进口组成。阀体侧面有排气接口，排气接口与阀体内腔相连通，阀体内有浮球导轨，浮球导轨内有耐压浮球，耐压浮球的下端连接有导杆，导杆的下端插入导套内，导套上表面安装有缓冲垫。阀体的下端有气体进口，气体进口与阀体内腔相连通。阀盖内有气体出口，气体出口下端连接有密封垫，气体出口与阀体内腔相连通，阀盖下端与阀体相连通。本发明不仅可高速自动可靠的排除管道中的空气，自动即时关闭封严阻隔管道中的水外溢，且具有灵活可靠的特性，此外不用电器元件，节能省电，可达到节能降耗的要求。
文档编号F16K1/32GK102466047SQ201010545700
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者刘斌, 吴朝辉, 贺全国, 陈森木 申请人:刘斌, 吴朝辉, 贺全国, 陈森木