Технический комитет по стандартизации
«Трубопроводная арматура и сильфоны» (ТК 259)

Акционерное общество «Научно-производственная фирма
«Центральное конструкторское бюро арматуростроения»

СТ ЦКБА 117-2017

Арматура трубопроводная

МЕТОДИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
ОБРАТНЫХ КЛАПАНОВ И ЗАТВОРОВ

НПФ «ЦКБА»
2017

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом «Научно-производственная фирма «Центральное конструкторское бюро арматуростроения» (АО «НПФ «ЦКБА»)

2 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом от 28.09.2017 г. № 64

3 СОГЛАСОВАН Техническим комитетом по стандартизации «Трубопроводная арматура и сильфоны» (ТК 259)

4 ВЗАМЕН РТМ 26-07-140-72 «Методика гидравлического расчета обратных клапанов»

СОДЕРЖАНИЕ

СТАНДАРТ ЦКБА

Дата введения - 01.11.2017

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на обратные подъемные угловые клапаны номинальных диаметров от DN 15 до DN 150 (далее - клапаны) и обратные затворы со смещенной осью вращения от DN 50 до DN 500 (далее - затворы) на номинальное давление не более РN 63.

Стандарт устанавливает методику гидравлического расчета обратной арматуры на стадии проектирования с целью оптимального выбора ее проточной части.

2 Термины и обозначения

2.1 В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 24856.

2.2 В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

DN - номинальный диаметр арматуры;

D_с - диаметр седла клапана (затвора), мм;

D_д - диаметр диска затвора, мм;

D_з - диаметр запирающего элемента (далее - ЗЭл) клапана, мм;

D_к - диаметр камеры клапана (затвора), мм;

D_н - диаметр наружный направляющей ЗЭл в крышке клапана, мм;

Н_э - высота ЗЭл клапана, мм;

G - вес подвижных частей ЗЭл (диска) клапана (затвора), Н;

L - расстояние от оси вращения затвора до геометрического центра диска (до центра седла), мм;

М - гидродинамический момент, возникающий от воздействия потока рабочей среды, Н∙м;

Р - гидродинамическое усилие (подъемная сила), действующее на ЗЭл клапана, Н;

ΔР - потери давления на клапане (затворе), Па;

Q - расход рабочей среды, м³/с;

Re - число Рейнольдса;

V - скорость рабочей среды в трубопроводе, м/с;

h - подъем (ход) ЗЭл клапана, мм;

l_цт - расстояние от оси вращения затвора до центра тяжести системы подвижных частей, вес которых равен G, мм;

m - коэффициент момента;

q - вес подвижных частей клапана, приходящийся на единицу площади седла, Н/м²;

q_прив - приведенный вес подвижных частей затвора, приходящийся на единицу площади седла, Н/м²;

s - ширина направляющих перьев, мм;

α - угол поворота диска затвора;

α₀ - угол между плоскостью, проходящей через ось поворота и центр тяжести подвижных частей затвора, и плоскостью уплотнительной поверхности диска;

α_с - угол наклона плоскости уплотнительной поверхности седла относительно оси потока;

ρ - плотность рабочей среды, кг/м³;

ρ_з - плотность материала ЗЭл, кг/м³;

v - кинематическая вязкость рабочей среды, м²/с;

ζ - коэффициент сопротивления;

χ - коэффициент подъемной силы.

3 Общие положения

3.1 Конструктивные исполнения арматуры:

- клапаны:

а) ЗЭл с направлением в седле (с направляющими перьями) - рисунок 1;

б) ЗЭл с направлением в крышке - рисунок 2;

- затворы - рисунок 3, формы дисков - рисунок 4:

а) диски вогнутые - типы А и Б;

б) диски плоские - типы В и Г.

3.2 Методику следует применять для расчета клапанов и затворов, геометрические размеры проточной части которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Геометрические размеры проточной части клапанов и затворов

Относительные геометрические размеры дисков затворов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Относительные геометрические размеры дисков затворов

3.3 Рабочие среды и их характеристики:

- рабочая среда - однофазная жидкость;

- температура - любая;

- кинематическая вязкость - близкая к вязкости воды;

- режим течения среды - область квадратичного сопротивления (Re ≥ 2∙10⁴).

Рисунок 1 - Обратный подъемный угловой клапан, ЗЭл с направлением в седле

Рисунок 2 - Обратный подъемный угловой клапан, ЗЭл с направлением в крышке

Рисунок 3 - Обратный затвор со смещенной осью вращения

Рисунок 4 - Формы дисков обратных затворов

4 Задачи расчета

4.1 Задачами расчета являются определение:

- коэффициента сопротивления ζ клапана (затвора);

- потерь давления ΔР на клапане (затворе);

- хода h ЗЭл клапана;

- угла поворота диска α затвора;

- гидродинамического усилия, возникающего на ЗЭл клапана от воздействия среды;

- хода h ЗЭл клапана в зависимости от гидродинамического усилия среды;

- гидродинамического момента, возникающего на диске затвора от воздействия среды;

- угла поворота α диска затвора в зависимости от гидродинамического момента среды;

- плотности материала для выбора марки материала ЗЭл (диска).

4.2 В таблице 3 перечислены параметры, определяемые в результате расчета, в зависимости от типа арматуры и объема исходных данных, а также указаны номера пунктов стандарта, по которому следует выполнять расчет.

Таблица 3 - Определяемые параметры

5 Исходные данные

5.1 Исходные данные для расчета

5.1.1 Для решения поставленных задач исходные данные следует разбить на две категории: общие, которые не зависят от поставленной задачи, и дополнительные, зависящие от поставленной задачи.

5.1.1.1 К общим исходным данным относятся:

- номинальный диаметр DN клапана (затвора);

- наименование рабочей среды;

- давление рабочей среды Р;

- температура рабочей среды t;

- физические свойства рабочей среды при параметрах эксплуатации (давлении Р и температуре t):

а) плотность ρ;

б) кинематическая вязкость (далее - вязкость) v.

5.1.1.2 К дополнительным исходным данным относятся:

- расход Q рабочей среды;

- скорость V рабочей среды в трубопроводе;

- коэффициент сопротивления клапана (затвора) ζ;

- ход (величина подъема) ЗЭл h;

- относительный ход ЗЭл ;

- угол поворота диска α;

- геометрические размеры проточной части клапана (затвора);

- плотность материала ρ_з ЗЭл (диска).

5.2 Общие положения

5.2.1 В основу расчета положены экспериментальные зависимости коэффициента сопротивления ζ и относительного хода (относительного подъема) ЗЭл  от безразмерного критерия, являющегося удельным динамическим напором:

- для клапанов - ;

- для затворов - .

5.2.2 Вес подвижных частей клапана, приходящийся на единицу площади седла, q, Н/м², рассчитывают по формуле

Приведенный вес подвижных частей затвора, приходящийся на единицу площади седла, q_прив, Н/м², рассчитывают по формуле

5.2.3 Ha рисунках 5 и 6 для клапанов приведены зависимости коэффициента сопротивления ζ и относительного хода (относительной величины подъема) ЗЭЛ  от удельного динамического напора , соответственно ζ = f и :

- рисунок 5 - ЗЭл с направлением в седле;

- рисунок 6 - ЗЭл с направлением в крышке.

5.2.4 На рисунках 7 и 8 для затворов приведены зависимости коэффициента сопротивления ζ и угла поворота диска α от приведенного удельного динамического напора , соответственно ζ = f и :

5.2.5 Так как представленные экспериментальные зависимости действительны только для режимов квадратичного сопротивления (при числах Рейнольдса Re ≥ 2∙10⁴), то для вновь проектируемых клапанов (затворов) до начала выполнения гидравлического расчета следует определить режим течения рабочей среды в соответствии с 5.3.

Рисунок 5 - Зависимости  и ζ = f 
для клапанов с направлением ЗЭл в седле

Рисунок 6 - Зависимости  и ζ = f 
для клапанов с направлением ЗЭл в крышке

Рисунок 7 - Зависимость ζ = f(ρ∙V²/q_прив) для затворов

Рисунок 8 - Зависимость ζ = f(ρ∙V²/q_прив) для затворов

5.3 Определение режима течения рабочей среды

5.3.1 Для определения режима течения среды применяют следующие расчетные зависимости:

- зависимость DN = f при постоянной скорости среды V = const,

- зависимость DN = f при постоянной вязкости среды v = const (при Re ≥ 2∙10⁴);

- зависимость относительного отношения плотностей среды и материала ЗЭл от относительного удельного динамического напора

где  - отношение плотности рабочей среды к плотности материала ЗЭл;

 - значение удельного динамического напора при отношении плотностей .

Зависимости DN = f, приведенные на графиках рисунков 9 - 13, рассчитаны для следующих параметров:

а) отношение плотности рабочей среды к плотности материала ЗЭл -  = 0,1, далее по тексту обозначаемое - ;

б) скорость среды - V = const в диапазоне от 0,5 до 3 м/с;

в) вязкость среды - v = const в диапазоне от 0,2∙10^-6 до 1,4∙10^-6 м²/с.

График зависимости  приведен на рисунке 14.

5.3.2 В зависимости от задачи гидравлического расчета режим течения определяют в соответствии с одним из алгоритмов, приведенных в 5.3.3.

Рисунок 9 - Зависимость DN = f(ρ∙V²/q)_0,1 для клапанов при ρ/ρ_з = 0,1,
V - в диапазоне от 0,5 до 3,0 м/с; v - в диапазоне от 0,2∙10^-6 до 1,4∙10^-6 м²/с

Рисунок 10 - Зависимость DN = f(ρ∙V²/q_прив)_0,1 для затворов с диском формы А
при ρ/ρ_з = 0,1, V - в диапазоне от 0,5 до 3,0 м/с; v - в диапазоне от 0,8∙10^-6 до 1,4∙10^-6 м²/с

Рисунок 11 - Зависимость DN = f(ρ∙V²/q_прив)_0,1 для затворов с диском формы Б
при ρ/ρ_з = 0,1, V - в диапазоне от 0,5 до 3,0 м/с; v - в диапазоне от 1,0∙10^-6 до 1,4∙10^-6 м²/с

Рисунок 12 - Зависимость DN = f(ρ∙V²/q_прив)_0,1 для затворов с диском формы В
при ρ/ρ_з = 0,1, V - в диапазоне от 0,5 до 3,0 м/с; v - в диапазоне от 1,0∙10^-6 до 1,4∙10^-6 м²/с

Рисунок 13 - Зависимость DN = f(ρ∙V²/q_прив)_0,1 для затворов с диском формы Г
при ρ/ρ_з = 0,1, V - в диапазоне от 0,5 до 3,0 м/с; v - в диапазоне от 1,0∙10^-6 до 1,4∙10^-6 м²/с

Рисунок 14 - Зависимость

5.3.3 Определение режима течения

5.3.3.1 Алгоритм 1

1) Исходные данные:

- номинальный диаметр DN клапана (затвора);

- рабочая среда;

- физические свойства рабочей среды (плотность ρ и вязкость v);

- расход рабочей среды Q или скорость V;

- плотность материала ЗЭл ρ_з.

2) Рассчитать скорость среды в трубопроводе V по формуле

3) Найти точку пересечения кривой V = const, соответствующей значению V, рассчитанному по формуле (3), и горизонтальной линии, соответствующей заданному значению DN, по графику рисунка 9 (для клапанов) либо по одному из графиков рисунков 10, 11, 12 и 13 (для затворов в зависимости от типа диска). Абсцисса точки пересечения является удельным динамическим напором .

Примечание - Для значений V = const, не указанных на рисунках, следует применять метод интерполяции.

4) Если найденная точка лежит выше кривой, соответствующей заданной вязкости v, то режим течения при числе Рейнольдса Re ≥ 2∙10⁴ и зависимости ζ = f, , ζ = f, α = f, приведенные на рисунках 5, 6, 7 и 8, можно применять для расчета.

Примечание - Для значений v = const, не указанных на рисунках, следует применять метод интерполяции.

5) Определить действительный удельный динамический напор  при  0,1 в следующей последовательности:

- рассчитать отношение плотности среды к плотности материала ЗЭл ;

- отношение плотностей  0,1;

- рассчитать относительное отношение плотности среды к плотности материала ЗЭл ;

- определить относительный удельный динамический напор  по значению  по графику рисунка 14;

- рассчитать действительный удельный динамический напор  по формуле

где  - удельный динамический напор, определенный в соответствии с перечислением 3.

5.3.3.2 Алгоритм 2

1) Исходные данные:

- номинальный диаметр DN клапана (затвора);

- рабочая среда;

- физические свойства рабочей среды (плотность ρ и вязкость v);

- коэффициент сопротивления ζ.

2) Определить действительный удельный динамический напор  по значению коэффициента сопротивления ζ по одному из графиков, представленных на рисунках 5, 6 и 7.

3) Рассчитать относительное отношение плотности среды к плотности материала ЗЭл  и определить относительный удельный динамический напор  по графику рисунка 14.

4) Найти точку пересечения определенного относительного удельного динамического напора  и горизонтальной линии, соответствующей заданному значению DN, по одному из графиков, представленных на рисунках 9, 10, 11, 12 и 13.

5) Если найденная точка лежит выше кривой v = const, соответствующей заданной вязкости, то режим течения при Re ≥ 2∙10⁴.

5.3.3.3 Алгоритм 3

1) Исходные данные:

- номинальный диаметр DN клапана (затвора);

- рабочая среда;

- физические свойства рабочей среды (плотность ρ и вязкость v);

- ход (относительный подъем) ЗЭл  или угол поворота диска α.

2) Определить удельный динамический напор  по значению заданного хода (относительного подъема) ЗЭл  (углу поворота диска α) по одному из графиков, представленных на рисунках 5, 6 и 8.

3) Рассчитать относительное отношение плотности среды к плотности материала ЗЭл  и определить относительный удельный динамический напор  по графику рисунка 14.

4) Найти точку пересечения определенного относительного удельного динамического напора  и горизонтальной линии, соответствующей заданному значению DN, по одному из графиков, представленных на рисунках 9, 10, 11, 12 и 13.

6) Если найденная точка лежит выше кривой v = const, соответствующей заданной вязкости, то режим течения при Re ≥ 2∙10⁴.

6 Гидравлический расчет обратных клапанов

6.1 Определение коэффициента сопротивления ζ и потерь давления на клапане ΔР

6.1.1 Задача 1

6.1.1.1 Исходные данные - в соответствии с 5.3.3.1.

6.1.1.2 Алгоритм расчета:

- определить действительный удельный динамический напор  в соответствии с 5.3.3.1 (перечисление 5);

- определить коэффициент сопротивления ζ в зависимости от конструктивного исполнения ЗЭл по одному из графиков, представленных на рисунках 5 и 6;

- рассчитать потери давления на клапане по формуле

6.1.2 Задача 2

6.1.2.1 Исходные данные - в соответствии с 5.3.3.3.

6.1.2.2 Алгоритм расчета:

- определить действительный удельный динамический напор  по заданному значению  по одному из графиков, представленных на рисунках 5 и 6;

- определить режим течения в соответствии с 5.3.3.3;

- определить коэффициент сопротивления ζ по найденному значению удельного динамического напора  по одному из графиков, представленных на рисунках 5 и 6;

- рассчитать потери давления на клапане ΔР по формуле (5).

6.2 Определение хода (величины подъема) ЗЭл h и потерь давления на клапане ΔР

6.2.1 Задача 3

6.2.1.1 Исходные данные - в соответствии с 5.3.3.2.

6.2.1.2 Алгоритм расчета:

- определить действительный удельный динамический напор  по заданному значению ζ по одному из графиков, представленных на рисунках 5 и 6;

- определить режим течения в соответствии с 5.3.3.2;

- определить относительный ход (относительный подъем) ЗЭл  по значению действительного удельного динамического напора  по одному из графиков, представленных на рисунках 5 и 6;

- рассчитать потери давления на клапане ΔР по формуле (5).

6.3 Определение гидродинамического усилия, возникающего на ЗЭл от воздействия рабочей среды, и хода (высоты подъема) для ЗЭл с направлением в крышке

6.3.1 Исходные данные - в соответствии с 5.3.3.1.

6.3.2 Алгоритм расчета гидродинамического усилия:

- рассчитать удельный динамический напор ;

- определить относительный ход  по значению рассчитанного удельного динамического напора  по графику рисунка 6;

- определить коэффициент подъемной силы  для значения  по графику, представленному на рисунке 15, ( и  - безразмерные эквивалентные коэффициенты давления, определяемые экспериментально);

Рисунок 15 - Зависимость коэффициента подъемной силы
от относительного хода χ = f(h/DN) обратных клапанов

- рассчитать гидродинамическое усилие (подъемную силу) Р, Н, действующее на ЗЭл, по формуле

6.4 Расчет плотности материала ЗЭл с целью выбора марки материала ЗЭл

6.4.1 Исходные данные:

- номинальный диаметр DN клапана.

- рабочая среда;

- физические свойства рабочей среды (плотность ρ и вязкость v).

6.4.2 Алгоритм расчета:

- найти точку пересечения кривой, соответствующей вязкости v = const и горизонтальной линии, соответствующей значению DN, по графику, представленному на рисунке 9. Абсцисса данной точки определяет минимальный удельный динамический напор , а кривая скорости, соответствующая графику V = const и проходящая через данную точку, определяет минимальную скорость V_min для режима Re ≥ 2∙10⁴ для отношения  = 0,1;

- определить  по одному из графиков, представленных на рисунках 5 и 6, в зависимости от одной из заданных величин:

а) коэффициенту сопротивления ζ;

б) относительному ходу ;

в) скорости среды V;

- рассчитать плотность материала ЗЭл ρ_з, кг/м³, по формуле

7 Гидравлический расчет обратных затворов

7.1 Определение коэффициента сопротивления ζ и потерь давления на затворе ΔР

7.1.1 Задача 1

7.1.1.1 Исходные данные - в соответствии с 5.3.3.1.

7.1.1.2 Алгоритм расчета:

- определить действительный удельный динамический напор  в соответствии с 5.3.3.1 (перечисление 5);

- определить угол поворота диска α и значение коэффициента сопротивления ζ по значению  в зависимости от формы диска по одному из графиков, представленных на рисунках 7 и 8;

- рассчитать потери давления ΔР на затворе по формуле (5).

7.1.2 Задача 2

7.1.2.1 Исходные данные - в соответствии с 5.3.3.3.

7.1.2.2 Алгоритм расчета:

- определить действительный удельный динамический напор  для значения угла поворота α по графику, представленному на рисунке 8;

- определить режим течения в соответствии с 5.3.3.3;

- определить коэффициент сопротивления ζ для значения удельного динамического напора  по графику, представленному на рисунке 7;

- рассчитать потери давления на затворе ΔР по формуле (5).

7.2 Определение угла поворота диска α и потерь давления на клапане ΔР

7.2.1 Задача 3

7.2.1.1 Исходные данные - в соответствии с 5.3.3.2.

7.2.1.2 Алгоритм расчета:

- определить действительный удельный динамический напор  для заданного значения коэффициента сопротивления ζ по графику, приведенному на рисунке 7;

- определить режим течения в соответствии с 5.3.3.2;

- определить угол поворота диска α для значения действительного удельного динамического напора  по графику, приведенному на рисунке 8;

- рассчитать потери давления на затворе ΔР по формуле (5).

7.3 Определение гидродинамического момента, возникающего на диске от воздействия рабочей среды, и угла поворота диска

7.3.1 Исходные данные - в соответствии с 5.3.3.1.

7.3.2 Алгоритм расчета:

- рассчитать удельный динамический напор ;

- определить угол поворота диска α для значения  по графику, приведенному на рисунке 8;

- определить коэффициент момента m для угла поворота диска α по графику, приведенному на рисунке 16;

- рассчитать гидродинамический момент, возникающий на диске от воздействия рабочей среды М, Н м, по формуле

Рисунок 16 - Зависимость коэффициента момента от угла поворота диска m = f(α)

7.4 Расчет плотности материала диска с целью выбора марки материала диска

7.4.1 Исходные данные - в соответствии с 6.4.1.

7.4.2 Алгоритм расчета:

- найти точку пересечения кривой, соответствующей заданной вязкости v = const и горизонтальной линии, соответствующей значению DN, по одному из графиков, представленных на рисунках 10, 11, 12 и 13. Абсцисса данной точки определяет минимальный удельный динамический напор , а кривая скорости, соответствующая графику V = const и проходящая через данную точку, определяет минимальную скорость V_min для режима Re ≥ 2∙10⁴ при отношении  = 0,1;

- определить действительное значение удельного динамического напора  по одному из графиков, представленных на рисунках 7 и 8, в зависимости от одной из заданных величин:

а) углу поворота α;

б) коэффициенту сопротивления ζ;

в) скорости среды V;

- рассчитать плотность материала диска ρ_з, кг/м³, по формуле

8 Рекомендации по выбору проточной части обратной арматуры

8.1 Обратные клапаны

8.1.1 В целях уменьшения коэффициента сопротивления ζ для обратных клапанов рекомендуется проектировать золотники, имеющие направление в крышке.

8.1.2 При удельном динамическом напоре  ≥ 0,5 рекомендуется применять клапаны с относительным диаметром камеры  = 1,75 и золотниками с направлением в крышке.

8.1.3 При удельном динамическом напоре  < 0,5 рекомендуется применять клапаны с относительным диаметром камеры  = 1,50 и золотниками с направлением в седле.

8.1.4 При увеличении относительного хода (относительной высоты подъема) ЗЭл  от 0,25DN до 0,30DN гидродинамическое усилие Р, действующее на ЗЭл, уменьшается почти вдвое, при этом коэффициент сопротивления ζ клапана уменьшается только на 5 %, поэтому целесообразно ограничить максимальную величину относительного хода (относительного подъема) ЗЭл значением  = 0,25.

8.2 Обратные затворы

8.2.1 Для обратных затворов оптимальным вариантом формы диска является тип А (рисунок 4).

8.2.2 Целесообразно максимальный угол поворота диска выбирать равным α = 75°, для чего на дисках следует предусматривать упор.

8.2.3 Угол наклона плоскости уплотнения седла относительно вертикальной оси α_с следует выбирать в пределах от 5° до 10°.

8.2.4 Для уменьшения коэффициента сопротивления ζ обратного затвора и для обеспечения мягкой обратной посадки ЗЭл на седло рекомендуются следующие значения α_с:

- при удельном динамическом напоре  < 0,3 - α_с от 10° до 15°;

- при удельном динамическом напоре  ≥ 0,3 - α_с от 5° до 10°.

8.3 Преимущества обратных затворов по сравнению с обратными клапанами

Обратные затворы, открывающиеся на угол свыше 35° - 40°, имеют существенно меньший коэффициент сопротивления ζ, чем обратные подъемные клапаны при полном открытии затвора, то есть имеют преимущество при средних и больших расходах.