محاسبه گشتاور شیر پروانه‌ای: استانداردها، نمودارها و روش‌های آزمایش

محاسبه گشتاور شیر پروانه‌ای فرآیند تخمین نیروی چرخشی یا گشتاور مورد نیاز برای باز، بسته شدن و نگه داشتن دیسک در موقعیت مورد نظر است. این محاسبه عمدتاً برای تعیین اندازه محرک استفاده می‌شود. 

انتخاب محرک اشتباه در شیر پروانه‌ای می‌تواند منجر به هزینه قابل توجهی شود. این اتفاق می‌افتد زیرا مهندسان گشتاور مورد نیاز برای چرخش دیسک سوپاپ را اشتباه محاسبه می‌کنند.

این مقاله سه نوع گشتاور، شش عامل مؤثر، فرمول استاندارد و نمودار مرجع DN50-DN300 را پوشش می‌دهد.

گشتاور شیر پروانه‌ای چیست و چرا برای انتخاب عملگر اهمیت دارد؟

محاسبه گشتاور شیر پروانه‌ای حداقل نیروی چرخشی مورد نیاز برای کار ایمن دیسک تحت شرایط نامی را به مهندسان می‌دهد.

گشتاور برای سیستم‌های متریک بر حسب نیوتن-متر (Nm) و برای سیستم‌های امپریال بر حسب فوت-پوند (ft-lb) بیان می‌شود.

فرمول عملی رایج این است: 

​Ta​=Ts​+Tb​+Td​ , که در آن گشتاور محرک برابر است با گشتاور نشیمنگاه به علاوه گشتاور یاتاقان به علاوه گشتاور دینامیکی.

هر عملگر پنوماتیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی دارای یک محدوده گشتاور خروجی تعریف شده است. اگر آن خروجی کمتر از گشتاور مورد نیاز شیر باشد، عملگر در اواسط کورس متوقف می‌شود.

محاسبه صحیح گشتاور اهمیت دارد زیرا یک محرک متوقف شده، دیسک را تا حدی باز نگه می‌دارد. این ممکن است منجر به نشت داخلی و خرابی احتمالی سیستم شود.

اندازه بیش از حد نیز یک مشکل است. یک محرک با خروجی بیش از حد می‌تواند به مرور زمان به ساقه، دیسک یا نشیمنگاه الاستومر آسیب برساند.

استانداردهایی مانند AWWA C504 و API 609 حداقل معیارهای گشتاور را تعیین می‌کنند که تولیدکنندگان باید قبل از ارسال شیرآلات، آنها را تأیید کنند.

این استانداردها به تیم‌های تدارکات مبنایی برای بررسی متقابل برگه‌های اطلاعات سازنده با نتایج آزمایش‌های مستقل می‌دهند.

سه نوع گشتاور پروانه‌ای

سه مورد متمایز وجود دارد گشتاور پروانه‌ای مقادیری که مهندسان باید در هر گونه اندازه‌گیری محرک در نظر بگیرند.

گشتاور شکست (گشتاور شکست تا باز شدن)

گشتاور شکست، بالاترین مقدار گشتاور در چرخه عملیاتی است. این نیرویی است که برای جدا کردن یک دیسک کاملاً بسته پس از ثابت بودن تحت فشار لازم است. اصطکاک استاتیکی و فشار دیفرانسیل کامل در این لحظه به طور همزمان عمل می‌کنند. گشتاور شکست، حداقل نیاز خروجی برای محرک‌های پنوماتیکی فنر برگشتی با قابلیت بسته شدن ناقص را تعیین می‌کند.

گشتاور در حال حرکت (گشتاور دینامیکی)

گشتاور دورانی، نیرویی است که برای ادامه چرخش دیسک پس از جدا شدن آن لازم است. این مقدار در شرایط عادی کمتر از گشتاور شکست است.

با این حال، گشتاور می‌تواند در زوایای میانی دیسک افزایش ناگهانی داشته باشد؛ معمولاً بین ۶۰ تا ۷۰ درجه. این افزایش ناگهانی ناشی از نیروهای هیدرودینامیکی است که هنگام تقسیم جریان در اطراف دیسک، بر آن وارد می‌شوند. مهندسانی که اندازه محرک‌های الکتریکی را برای کنترل مدولاسیون تعیین می‌کنند، باید این اوج گشتاور در اواسط کورس را در نظر بگیرند.

گشتاور بسته شدن / نشست

گشتاور نشیمنگاه، نیرویی است که برای فشار دادن کامل دیسک روی نشیمنگاه در انتهای کورس حرکت لازم است.

برای شیرهای با سیت نرم، باید الاستومر EPDM یا NBR را به اندازه کافی فشرده کند تا به آب‌بندی بدون نشتی دست یابد. کلاس نشتی برای آب‌بندهای نرم معمولاً کلاس VI است که طبق API 598 یا ISO 5208 تأیید شده است.

شیرهای با نشیمنگاه فلزی به گشتاور نشیمنگاه بالاتری نیاز دارند. تحمل نشتی آنها به طور جداگانه تحت معیارهای کلاس IV تعریف می‌شود.

6 عامل مؤثر بر گشتاور شیر پروانه‌ای

شش متغیر وجود دارد که تعیین می‌کنند معیار محاسبه گشتاور شیر پروانه‌ای برای هر کاربرد داده شده.

اندازه شیر (DN / قطر لوله)

گشتاور تقریباً با مکعب قطر دیسک متناسب است.

برای مثال، یک شیر DN200 در فشار یکسان به گشتاور بسیار بیشتری نسبت به شیر DN50 نیاز دارد.

این رابطه مکعبی دلیل این است که چرا شیرهای با دهانه بزرگ تقریباً همیشه به اپراتورهای چرخ دنده‌ای یا محرک‌های برقی نیاز دارند.

اختلاف فشار (ΔP)

فشار تفاضلی بزرگترین متغیر در هر محاسبه گشتاور است.

ΔP بالاتر در دیسک بسته، گشتاور شکست و گشتاور نشست را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

همیشه گشتاور را در حداکثر ΔP نامی محاسبه کنید، نه در فشار عملیاتی عادی.

جنس صندلی

الاستومرهای EPDM و NBR اصطکاک بیشتری نسبت به صندلی‌های روکش‌دار PTFE ایجاد می‌کنند.

الاستومرهای کهنه می‌توانند مقادیر گشتاوری بسیار بالاتر از ارقام مندرج در برگه اطلاعات فنی شیر نو ایجاد کنند.

هنگام انتخاب حاشیه ایمنی عملگر برای نصب‌های طولانی مدت، فرسودگی نشیمنگاه را در نظر بگیرید.

نوع و ویسکوزیته سیال

دوغاب‌ها، سیالات ویسکوز و محیط‌های فیبری در طول چرخش دیسک، گشتاور کششی ایجاد می‌کنند.

آب تمیز، خط پایه استانداردی است که در اکثر نمودارهای گشتاور تولیدکنندگان استفاده می‌شود.

اگر سیال فرآیند با آب تفاوت قابل توجهی دارد، مقادیر گشتاور را با سازنده بررسی کنید.

طراحی شیر و خروج از مرکز

مرکزی یا شیرهای پروانه‌ای متحدالمرکز تماس دیسک با نشیمنگاه را در تمام طول مسیر ۹۰ درجه حفظ کنید. این تماس مداوم، گشتاور حرکتی بالاتری را در مقایسه با طرح‌های خارج از مرکز ایجاد می‌کند.

شیرهای دو و سه محوره، دیسک را بلافاصله پس از باز شدن از روی نشیمنگاه بلند می‌کنند و گشتاور دورانی و سایش نشیمنگاه را کاهش می‌دهند.

شیر پروانه‌ای متحدالمرکز

قطر اسمی: ۲ اینچ – ۶۴ اینچ
بدن: فولاد کربنی، فولاد ریخته‌گری، فولاد آهنگری شده، SS304، SS316، برنز آل، چدن داکتیل

مشاهده محصول

دما

دمای پایین، الاستومرها را سفت می‌کند و می‌تواند گشتاور شکست را فراتر از مقادیر شرایط محیطی افزایش دهد.

در همین حال، دمای بالا ممکن است باعث تورم یا تخریب صندلی شود و به مرور زمان مشخصات گشتاور را تغییر دهد.

قبل از نهایی کردن اندازه عملگر، همیشه مناسب بودن جنس نشیمنگاه را برای کل محدوده دمای عملیاتی تأیید کنید.

چگونه از فرمول محاسبه گشتاور شیر پروانه‌ای استفاده می‌کنید؟

The فرمول محاسبه گشتاور شیر پروانه‌ای گشتاور کل را به چهار مؤلفه قابل اندازه‌گیری تقسیم می‌کند، همانطور که در زیر نشان داده شده است.

فرمول چهار جزئی

گشتاور کل (T) = تی تی + تی اس + تی پی + تی دی

کجا: 

• Tt = گشتاور اصطکاک یاتاقان ساقه
• Ts = گشتاور اصطکاک صندلی
• Tp = گشتاور القایی فشار (جابجایی دیسک از مرکز شفت)
• Td = گشتاور دینامیکی یا هیدرودینامیکی از محیط سیال

فرمول ساده شده میدانی AWWA

برای کاربردهای آب‌رسانی، AWWA C504 یک میانبر کاربردی ارائه می‌دهد:

T = K × D3 × ΔP

کجا:

• T = گشتاور بر حسب نیوتن متر
• K = ضریب شیر (از برگه اطلاعات سازنده)
• D = قطر دیسک بر حسب متر
• ΔP = اختلاف فشار بر حسب بار

K بسته به نوع شیر، جنس نشیمنگاه و پروفیل دیسک متفاوت است.

همیشه از مقدار K منتشر شده توسط سازنده استفاده کنید - نه یک تخمین عمومی.

ضریب ایمنی برای اندازه گیری محرک

قبل از انتخاب محرک، ضریب ایمنی ۱.۲۵ تا ۱.۵ را روی حداکثر گشتاور محاسبه شده اعمال کنید.

استاندارد AWWA C504 این محدوده را برای خدمات استاندارد آب و فاضلاب توصیه می‌کند.

برای شیرهایی که در حالت بی‌نظمی کار می‌کنند یا شیرهایی که به ندرت کار می‌کنند، ضریب ایمنی را به ۱.۵ تا ۲.۰ افزایش دهید.

این حاشیه وسیع‌تر، صندلی‌های قدیمی، شرایط استارت سرد و افزایش ناگهانی گشتاور در اواسط کورس را پوشش می‌دهد.

واحدهای متریک در مقابل واحدهای امپریال

معیار محاسبه گشتاور شیر پروانه‌ای وقتی D بر حسب متر و ΔP بر حسب پاسکال باشد، گشتاور بر حسب نیوتن متر تولید می‌کند.

اگر ΔP بر حسب کیلوپاسکال وارد شده باشد، آن را بر ۱۰۰۰ تقسیم کنید.

برای محاسبات امپریال، D بر حسب اینچ و ΔP بر حسب psi است. نتیجه بر حسب فوت-پوند با ضریب تبدیل واحد است.

واحد متریک (Nm) استانداردی برای مستندات AWWA، API و ISO است.

نمودار گشتاور شیر پروانه‌ای: مقادیر مرجع برای قطرهای DN50 تا DN300

The نمودار گشتاور شیر پروانه‌ای در زیر مقادیر گشتاور برای شیرهای پروانه‌ای مرکزی با سیت نرم و سیت‌های EPDM یا NBR نشان داده شده است.

این ارقام فرض می‌کنند که سرویس آب تمیز در محدوده اختلاف فشار ذکر شده انجام شده است.

از این اعداد به عنوان نقطه شروع استفاده کنید. قبل از نهایی کردن انتخاب عملگر، با منحنی‌های گشتاور ارائه شده توسط سازنده تأیید کنید.

توجهمقادیر جدول برای شیرهای پروانه‌ای با سیت نرم و مرکزی در محدوده دلتا-P ذکر شده، نشان دهنده هستند. طرح‌های با سیت فلزی و خارج از مرکز، پروفیل گشتاور متفاوتی خواهند داشت. اندازه نهایی عملگر باید از منحنی‌های گشتاور صادر شده توسط سازنده استفاده کند.

سناریوی کاربرد در دنیای واقعی

در این سناریو، یک پیمانکار EPC در حال تعیین شیرهای پروانه‌ای خودکار برای یک پروژه توسعه تصفیه آب است. 

فروشنده‌ی عملگر برای پیکربندی محدوده‌ی فنر عملگر پنوماتیکی، به برگه‌های اطلاعات گشتاور مهر شده نیاز دارد.

شرکت TG Valve با ارائه مستندات گشتاور صادر شده توسط کارخانه برای هر اندازه و درجه فشار شیر، این مشکل را حل می‌کند. 

نتیجه، کاهش زمان مهندسی و خطاهای انتخاب محرک است.

نتیجه‌گیری

محاسبه صحیح گشتاور پروانه‌ای مقادیر به معنای تطبیق آن با محرک مناسب است. این امر به جلوگیری از اشتباهاتی که ممکن است منجر به مشکلاتی مانند نشت داخلی و خرابی سیستم شود، کمک می‌کند. 

TG Valve آزمایش کامل پوسته و نشیمنگاه را انجام می‌دهد در کارخانه خود مطابق با استانداردهای AWWA C504، API 609 و API 598.

هر شیر با یک برگه پارامتر گشتاور مستند که شامل گشتاور شکست، گشتاور در حال کار و گشتاور نشست است، از خط تولید خارج می‌شود.

این مستندات به تیم‌های تدارکات و فروشندگان محرک اجازه می‌دهد تا خروجی محرک را مستقیماً با داده‌های گشتاور مخصوص شیر مطابقت دهند.