阀座密封结构的设计研究.pdf

0’ 2 f 7 z 一 6 一 。一 阀 门 l 9 9 2年 阀座密封结构的设计研 究 沈 阳 阀 门 研 究 所 煎 丁 i 弓 年 摘要介绍 7几种新型 阀座 密封 结构 的特 点及适 用 Ii， 对阀 门进 口密封结构 进行 7深入 的设 计 研 究 。提 出 的各 种 阀座 密封 结构 ， 得 到 7实 践 的验 证 ， 可 供 阀 门设 计 者借 鉴 。 主题调； 阀座结构 密封研究 研f 7 】 ． 概 述 6 0年 代 ， 国外 开 始采 用 球 阀和平 板 闸阀 ， 并 将其 应用在高温高 压的工况 条件下 。由于这 两 种 阀门 具有 结构 简单 、 启 闭速 度 快 、 开关 轻 便 、 流体阻力小 和密封可靠等特点 ， 所以发展很 快 。广泛 应用于石 油、 化工 、 水 电、 造纸 和原子 能 等各工业 部门。 我国大约在 7 0 年代初开始研制这两种阀 门 ， 并应用于工业生产 。随着 研制 工作的深入 ， 技术 引进 的发展 ， 尤其是 用 户根据 使用 实践提 出 的新 要求 ， 促 使这两 种 阀门的设计 水平 又有 新的提高 。 ㈨ ， f， 图 l 初期 浮动球 阀密封结构 1 ． 密封 圈2 ． 球 体3 ． 阀捧 初期 设计 球 阀时 ， 一般 是采 用浮 动球结 构 图 1 ， 聚 四氟 乙烯 密封 圈外径与 阀体 相配 ， 内 径与 阀体通道 相连 ， 密封 圈直接 受到 介质 的冲 蚀作用 。 平 板阀的设 计也是如此 图 2 。 在研制 和使用 中发现 ， 聚四氟 乙烯 密封 圈产 生冷流和 冲蚀现 象 ， 影响密封效果和使用寿命 。 因此 采用 把聚四氟 乙烯密封 圈压入 阀座槽 内的结构形式 图 3 、 4 ， 槽 底部钻有通 孔 ， 或 在密封 圈侧面开 沟 ， 供放气用 。采 用这 种结 构 ， 并严 格控 制密封 面 的高度 一般 在 0 ． 2 ～O ． 3 ram 范 围 内 ， 基 本 上 解决 了密封 圈的冷 流和 冲蚀 问题 ， 是 设计 工 作 的一 大改进 。 ～ 图 2初期平板 阀密封 结构 l 闯悼2密 封龋3 ． 1 ii ,l 板 t 2 3 图 3密封 圈在 槽 内 l _ 密封 圈2 ． 球体3 ． 阀捧 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 第 1期 阀 门 3 图 4密 封圈 在槽 内 1 ． 阀体2密封 圈3 ． 嗣板 2 ． 进 口密封结构 近几 年来有 些用 户要求 阀 门进 口密 封， 从 国外引进的 阀 门看基本 上也 都采 用进 口密封 。 经分析进 口密封有如下一些优 点 1 密 封更 加可靠因为 阀门进 口密封的 同时 ， 出 口也能密封 ， 双 面密封的效果 自然会 比 单面密封好 。 2 提高 使 用寿命 因为 阀门进 出 口同 时 密封 ， 密封面不与介质接触， 介质中的颗粒不会 粘 污和磨 损软质 密封 面 ， 密封面也 可避 免介 质 的冲蚀作 用 ， 还 可 减轻并 能 自动 补偿 密封面 的 磨损， 这样就可延长软质密封面的使 用寿命 。 3 方便 阀门检修管 道 中存在 介 质或在 压力作用下检修阀 门， 若不保证 阀 门进 口密封 ， 是根本不 可能的。 保证进 口密封 ， 就能 实现 阀门 带压检修 ． 这是用户非常希望的。 4 减少或避免 阀门中法 兰垫 片、 填料 函等 处的泄漏进 口密封 后 ， 阀体 中腔 介 质动 压大 大降低 ， 这对增强 中法 兰垫 片、 填料函等处 的密 封性能 ， 减少外漏 ， 无疑是有好处的 。 基于上 述分析 ， 在 保证密 封结构 不太复 杂 的情 况下 ， 阀门应尽量采用进 口密封结构 。 阀 门进 口密封 的设计 ， 不 但在 阀 门充入 介 质， 无压力时实现进 口密封 ， 而且在阀门存在介 质压力 的条 件下仍能保持进 口密封 为了实现 上述要求 ， 可采用如下几种密封结构 1 浮动 阀座 密封结 构 图 5 密封 圈压 入阀座沟槽 内， 阀座背面 孔 内加压缩 弹簧 ， 阀座 外径沟槽 内加 O形 圈 ， 与阀体 相配 。 这种结构的 特 点是 阀座可沿 通道方 向移动 ， 主要 依靠 弹簧 的 压力来 形成进 口密 封 ． 阀座 与阀体 间 隙的密 封靠 O形圈来 保证 。 因为压缩弹簧 为圆柱形 ， 占 有 面积较 大 ， 故这 种密封 结构 主要用 于较大 口 径的 阀门。 i 2 3 4 6 ／； 了 、 ～ ＼ ， ， ． l || 1 图 5 浮动 阀座 结构 【 ． 阀体2 ． 阀座8 ． o形 圈 弹簧5密封 圈is ． 闸板 2 闸板上 浮动 阀座 密 封结构 图 6 阀 座 可在 闸板上沿 通道方 向移动 ， 依靠 闸板 上的 压缩弹簧来保证进 口密封 。采用这种 密封结构 时 ， 闸板 上不 开导流 孔 ， 缩 小了闸板 结构 尺寸 ， 从 而可相 应地 减小阀体 的 高度 ， 使整体 结构 变 小 。由于弹簧压力要 克服 介质压 力并形 成密封 力 敖需较大的弹簧 。 图 6 闸板上 浮动 阎座 结构 1 ． 阀体2 ． 密封 圈3 ． o形 圈 4 ， 压环5 ． 螺钉6 ． 阀 座 ． 弹 簧8 ． 闸板 3 带 v形 弹簧 的 浮动阀 座 密封结 构 图 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阀 门 1 9 9 2 矩 7 阀座可移 动 ， 密封力 主要靠 V形 弹簧来 保 证 。v形弹簧 结构 紧凑 ， 占有的 空间较小 ． 适 用 于 中小 口径 阀门。 应 该指 出 ， V形弹簧 的灵 敏性 较 低 ， 弹性较 差 ， 抗低 周疲 劳能力 也差 ， 制造 技 术 要求较高 ， 一般需要 专用模具 ， 因此设计 中不 常采用。 4 阀体 楔 形面 浮动 阀座 密封 结构 图 8 这种 密封 结构的特点是 阀座可 以在阀体的楔形 面上 自由移 动 ， 对密封性能有 自动调节 作用 ， 且 可 自动补偿密封面 的磨 损 ， 防 止泄漏 ， 提高使用 寿命 。当 阀座垫 圈采用碳 ／ 碳复合 材料 制造时 ， 这种结构 完全可以用在高温条件下 。 图 7 带 V形 弹簧 的浮动 阀座结 构 1 _ v形 弹簧2 ． 阀座 3 ． 密封 圈4 ． o形 圈5 ． 球体6 ． 阏 体 图 8 阁体楔 形面 浮动 阀座 结构 1 ． 固体2 ． 阏 座垫3 ． 阀座{ ． 球体 5 双 阀座 密封 结 构 图 9 最 近 国内研 制 出一种新 型 的双面双 阎座 双重 密封 结构 ， 简 称双阀座密封结构 。 所谓双面密封 ， 就是 阀门进 图 9 双 阀座密封 结构 ‘ 1 ． 闸板2 阀体3底 阁座4 、 7 、 9 o形 圈5密封 圈6 阀座8压缩 弹簧1 o拄袖 塞 出口同时密封 。 采 用双 阀座 ． 主要是 为了把阀体 的安装 。在聚四氟 乙烯密封圈形成软密封的基 设计得更扁 ， 缩小结构尺寸 ， 有利于 阀座与闸板 础 上 ， 阀座密封面形成第 二道 硬密封 。 由于可通 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 第 1期 阀 门 5 过密封脂 通道注 入阀门密 封脂 ， 使得 阀门密封 更加可靠 ， 使用寿命大大提 高。 3 ． 弹簧的计算 进 口密封性 能 主 要靠 阀座压 缩 弹簧 来 保 证 弹簧力的大小 ， 不但影 响阀座 密封结构 的尺 寸 ， 而且决定进 口密封性 的好坏 。 阀门设计 中曾 多次 发生 过弹簧压 力确定 的不合理情 况 ， 计 算 的弹簧压力过大时 ， 采 用较大的弹簧 ， 使阀座密 封结构较大 ； 计算的弹簧压力过小时 ， 保 证不 了 进 口密封 。 为 了合理地 确定弹簧压缩力 ， 必须对 密封结构 的受力情况进行分析 图 1 0 。 图 l 0 密封 结构 受力分 析 1 ． 阀体2 ． O形 圈3弹簧4 ． 阀座5 ． 密封 圈6 ． 闸扳 在充入介质 ， 但无压力时 ， 进 口阀座 密封 面 主要受到阀座背面诸 压缩 弹簧的压力。在弹簧 压力 等于 或大于密封 力时 ， 才能形成 闸板与 阀 座密封面之间的密封 ， 即进 口的密封条件为 R ≥ r 1 】 一l 或 l 【 I h≥ Q 2 i 一 】 式 中R 每个弹簧的压力 ， N K ． 每个弹簧的刚度系数 ， N ／ ra m 每个 弹簧 的预压变形量 ， m i l l 一 密封 力 ． N 所谓 密封力 ， 就是保证 阀门密封 所需 要 的 最小压紧力 。密封力按下式计算 Q 一 b M Dc P q b 3 式中 阀座密封面宽度 ， mm D 阀座 密封面平均 直径 ， r t l I T 1 密封 比压 ， MP a 所谓 密封 比压 ， 就是 保证 阀门 密封所 必须 施加在密封面单位面积上 的最小压紧力 。根据 经验 ， 聚 四氟 乙烯 密封 圈对钢 制密封面 ， 可取 q 2 ．0 ～ 2． 5 M Pa。 在介 质压力作 用下 ， 进 口阀座密 封面除 受 到 弹簧压力之 外 ， 还 受到 阀座背 面环形面积 上 的介质压力 Q的作用 ， 其值为 Q一 D w D P s 式 中D w 阀座密封 面外径 ， mm D 阀座密封 面 内径 ， mm 介质静压力 ， MP a 此 时 出 口阀座 背面与 阀体 接触 ， 弹簧又 产 生一个新 的变形量 ， 则进 口密封面 的密封 条 件 为 Kj ‘ 一 Q≥Q 5 l 1 上式表 明 ， 在动态工作条件下 ， 进 口阀 座弹 簧压力减小了∑K j k． 但是由于阀座背面环 l 形面 积上的压力Q大于∑K ． ． 故在预压下 i 一 】 形成的 密封 ， 在动态工作条件下仍能保持 。 综 上所述 ， 可 以看出保证 进 口密封 的条件 是进 口阉座弹簧压 力之和 等于或大 于密封 力 。 固此可 以根据密封力来进行阀座压缩弹簧的计 算 。 设 进 口阀座压缩 弹簧 的个 数为 n ， 则每个弹 簧 的压 力为 Fj Qu r 6 弹簧数越多 ， 压力分 布得越均 匀。 但弹簧数 量 的增 加会使阀座 背面钻孔增 多 ， 削弱 阀座结 构强度 。 固此应根据 阀门 口径和 密封力 的大 小 ， 合理地选定弹簧个数 。 为使阀座结构 紧凑 ， 在保 证能 产生所 要求的压 力下 ， 弹簧外 径应尽 量的 小 。在给定弹簧外径后 ， 优选 弹簧 丝直径及选择 弹簧材料 。 按设计给 定的弹簧 预压变形量 ， 进行 弹簧计算 。 1 弹簧 刚度 K K F l 7 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 6～ 阀 门 9 9 2正 2 弹簧有效 圈数 N及总 圈数 N N ㈣ 式中d 弹簧丝 直径 ． mm D 弹簧平 均直径 ， mm G 弹簧材料的剪切弹性 模量 ， MP a 弹簧 总圈数 N N2 3 弹簧并圈高度 Hs H 一 d N 2 9 弹簧并 圈高度应 小于安装弹 簧 所用高 度 ． 否则要重 新进行设计 。 弹簧的 自由高度 Ho ‘ ～ 式 中 H 为弹簧 的安 装高度 。如果 H o ／ D d ， 则弹 簧容 易产生纵 向弯 曲， 应重新设计 。 5 每 一圈弹簧 的 自振频率 f H z f ⋯ D “ u 式 中 p为弹簧密度 k g ／ mm 。如果 阀门工 作时 的振 动频率接近 于 自振频率 ， 弹簧就 可能 因共振而被损坏 。 参考 文献 】 J L莱 昂斯 美 编 著， 项 差 撮 等译． 阀 门技 术 手册 ． 机械 1 业出版社 ， J 9 9 1 2 6 H P e a r n 蔓 蒋， 袁 玉求 等 译 阀 门 没计、 安 徽 科 技 版社 ， I 9 8 3 ． Ho H． 6 - 1 0 3 台肥通用机械研究所编 ． 阁 f n 计与 计算 ， 1 9 7 4 阀门开度引起的瞬变流动分析 上 海电力 学院 I．a -m 丁 H J { 4 摘要利用流体瞬 变的线性化 理论 导 出 了管端 阀门开度改 变时的瞬态 解及 最垮达 到的稳 态 解 ， 根 据 这 些 解 的数 值 计 算 结 果 讨 论 j管 端 阀 门开 度 的 改 变 对 管 系 中流 体流 动 的 影响 ， 这 些 理 论 分 析与讨论结果可供有 关I程应 用参 考。 主 醐 蔓 塞 堕 丝 芝 塑 唧 一 、引言 。 阀门是管 系中的一个重 要部件 ， 若 要使动 力设备 的运行 工况发 生变 化 ， 最简单 的方法就 是改变阀 门的开度 。 因此 ， 研究阀门开度 的改变 对管 内流动 的影响 是工 程 中的 一个 很重 要 同 题 。 当阀 门开度 突然发生 变化 时 ， 在 管系 中将 会产 生水 击现象 ， 使管系 中流体 压力和速度 都 发生急剧变 化。这个 问题在工程设计中必须引 起重视 。为 了预测阀 门开度改变 时在管 系中产 生 的水 击 强度 以及趋 于 稳定 状 态后 的稳 态流 动 ， 可 以采 用图解法 、 特征线法以及线性化理论 等方法 。 本 文运用流体瞬变的线性化理论 ， 采用 拉普拉斯变换求得 阀门开度改变 时管道 中流体 流动的线性化理 论解 。 在工程 中遇到的往往是复杂 的管 系。这种 管 系可看成 由许多单管 通过 串联 、 并联或分 叉 的形式组成 。对每一根管遭的两端 引进适 当的 边界条件 ． 并对 其分 别进行求 解 ． 就可 以得到整 个管 系的解 。本文虽然选取管系 中的一根单 管 讨 论管端 阀门开度 的改变 对管 内流 动的影 响 ， 但本文所得的结果可以推广到复杂的管系中。 二 、 管 内流动的线性化理论解 管 内无牯性流动所满 足的基本 方程为 a p Av 0 1 。a 【 ⋯ 宅v 一 害 2 十 五 一 责 式 中v 流体 的流 动速度 ， m／ s p 流体的压力 ， P a p 流体的密度 ， k g ／ m。 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载