轴流型调节阀结构性能分析.pdf

文章编号 100225855 2006 0120005203 作者简介常占东1973 - ,男,宁夏吴忠,工程师,从事调节阀的研究。 轴流型调节阀结构性能分析 常占东1,应启戛2 1 1 吴忠仪表股份有限公司,宁夏 吴忠 751100; 21 上海理工大学,上海 200093 摘要 介绍了新式轴流型调节阀的结构及工作原理,分析了其特点,论述了关键零部件的设 计方法。 关键词 轴流阀;流阻;流通能力 中图分类号 TH134 文献标识码 A Analyzing for structure and capability of axial flow valve CHANG Zhan2dong1, YING Qi2jia2 1 1Wuzhong Instrument co. , Ltd , Wuzhong 751100 , China ; 21University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 200093 , China Abstract The article introduces structure and operation principle of a new type of control valve , axi2 al2flow type valve.Then the article analyzes metrits of this type valve contrasting with general control valves.Furthermore , the article analyzes design s of some key parts and key asembles of axial - flow type control valve. Key words axial flow valve ; flow resistant coefficient ; flow capacity 1 概述 我国调节阀技术经近30年的引进、革新和发 展,有了很大的进步,但是同国际先进水平相比还 有较大的差距,主要是高温、高压、大口径调节阀 存在卡塞,振动,噪声大,驱动力矩过大,可靠性 低,使用时间短,密封填料易漏等问题。同时在理 论研究及结构创新上还不能跟上现代工业发展的需 求。轴流型调节阀是一种全新结构的阀门,它吸取 了套筒调节阀的优点,使套筒与阀芯在阀体内腔顺 流道放置,流体在通过调节阀的过程中流向基本不 发生改变,顺管道轴向方向流动,这样可以减小流 道流阻,增大阀门的流通能力。 2 结构 轴流型调节阀改变了普通调节阀图 1 的整 体流通结构,使介质在阀内轴向顺环形流道流动, 流体在阀体内的流向转变很小,能量损失较少。整 体铸造圆桶结构更加适应了承压容器的受力要求, 承压性能好。普通调节阀的流通能力受球形阀体的 “S”形流道结构约束无法增大,其原因是介质在 流道内经多次的流向改变,易形成旋涡,互相碰 撞,消耗能量。而且在口径大于DN400 mm时, 阀的行程太长,调节灵敏度降低,整体结构笨重, 驱动力过大。轴流型调节阀的阀体流道顺管线中介 质流向设计,并且在阀体内腔设置流线圆锥状导流 罩,疏导流体的流速及流向,使管道流体分布均 匀,压力均衡。节流部件参考套筒阀的结构,区别 在于轴流型调节阀将套筒顺管道流向安装,使阀芯 在套筒内轴向动作,阀芯可以设计为压力平衡式结 构,抵消因节流口前后压差引起的不平衡力,从而 改善了普通调节阀口径小,压差小的约束。 3 工作原理 轴流型调节阀的调节过程如图2所示。介质从 阀体左端进入阀体内腔,经流线型导流罩的疏导作 用将流体引入环型流道,即介质是在阀体外壁与内 部导流壳形成的夹层空间流动。然后根据控制信号 的大小,执行机构带动传动系统,使轴向阀杆拉动 阀芯在套筒中滑动。在套筒的四周设计有不同调节 特性的节流窗口,阀芯的移动引起节流口的大小变 52006年第1期 阀 门 化,从而实现了流量及压力的调节。 a b a轴流型调节阀流道结构 b普通调节阀S形流道结构 图1 流道结构对比 图2 工作原理 当介质从轴向弧状流道进入外壳图3 ,锥 型导流罩壳可以梳直流体,使流体速度分布均匀, 这样能量损失较小。然后经过套筒窗口,向套筒中 部集中,流出阀门。无论活塞在何位置,阀腔内无 论任何位置水流断面均为环状,在出口处向轴心收 缩,从而避免因节流而可能产生的气蚀对阀体和管 道的破坏,而调节特性可以在套筒上开设不同形状 的窗口实现。轴流型流量调节阀能满足各种特殊调 节要求的工况。调节功能是靠一类似于活塞状圆柱 体阀芯在阀腔内作轴向运动实现,它的行程与管内 介质流向一致。介质从轴向弧状进入外壳,活塞阀 内的流道为轴对称形,流体流过时不会产生紊流。 轴流型调节阀阀体可设计成一个整体,具有高 流通能力,流量特性可随用户需求更换套筒,能有 效地避免气蚀和震动。内壳有流线型的导流筋和外 壳相连,活塞用安装在壳内的斜齿条副或齿轮齿条 副或曲柄连杆机构操作。因而增加了力臂区间,使 驱动力减小。轴流型调节阀可采用金属对金属及金 属与橡胶双重密封结构,实现双向气泡级密封,从 而达到密封系统使用寿命长,关闭严密。 图3 轴流型调节阀结构 4 性能分析 普通调节阀的整体结构是球形的,内部流道基 本上象一个平置的S形,流体进入阀体后经过流向 的多次转变,特别是节流口前后有两次90 的突然 转变,对流体动能的损失较大,因而流阻高。从流 路上分析,其流路复杂,Cv值小,防堵差,尺寸 大,动作不灵敏,外观差。从移动方式分析,阀杆 上下运动,滑动摩擦大,阀杆密封差,抗振动性能 差。从结构上分析,单密封允许压差小,双密封泄 漏大,阀芯在中间,无法避开高速介质的直接冲 刷,影响使用寿命。 轴流型调节阀解决了普通调节阀阀芯垂直节 流,而介质水平流进流出,阀腔内流道转弯,流路 形状复杂的形状如倒“S”型状态。这样,就 不存在介质流动死区,不会造成堵塞。轴流结构流 阻低,内外壳体整体铸造,抗介质脉动振动性好, 使脉动压力抵消在阀体内壁,不直接作用于阀芯或 套筒,适用于调节管道介质流量、流态以及调节管 网压力的工况中。轴流结构设计和材料选用使其适 于污水堵塞滑道,不易结垢,不易卡阻。平衡式阀 芯结构使驱动装置明显减小。而软硬双重密封结 构,保证阀门渗漏量为零,可作为截止阀使用。 5 套筒设计 工业生产控制系统的多样性决定了调节阀必须 具备灵活的可调结构,轴流型调节阀要适应现代工 业的发展也必须具备此特点。套筒是为适应高压 差,大口径的管道需要而设计的一种流量节流零 6 阀 门 2006年第1期 件。套筒阀因其独特的导向稳定性和易于实现高精 度调节被广泛使用,套筒阀的发明使原有阀门的流 通能力提高了20 。套筒是为解决单座阀流通能 力过低,不平衡力大而设计的一种结构,使用较广 泛。轴流型调节阀吸取了它的优点,延用了此结 构。套筒图 4 分为低噪声式、线性特性式、等 百分比式和低压降比式等。 511 低噪声式套筒 低噪声套筒也分等百分比式和线性特性两种调 节特性,关键是将原大型孔口用几组按一定规律排 列的小孔代替如图 4 。或设计成一组多层节流 套筒组合的形式,使介质分段降压,并使声波在进 入小孔之前就相互撞击,消耗能量。在设计套筒上 孔的数量及孔的大小以及孔的排列方式上按小孔节 流理论,根据设计压差计算流速,使流束在套筒中 间能够互相碰撞,达到消耗声能的目的。 a低噪声式 b线性特性式 图4 套筒结构 512 线性特性及等百分比式套筒 线性特性套筒是根据线形流量特性的要求,将 套筒窗口的形状数量按所设计阀流通能力的大小, 将节流口按行程变化要求经过理论与实验修正得出 的。即根据调节阀的相对流量与阀芯的相对位移成 直线关系即单位位移变化所引起的流量变化是常 数 , 即 K d Q Qmax d l L 式中 Q 实际流量, m3/ s Qmax 最大流量, m3/ s l 实际位移, m L 套筒长度, m 等百分比式套筒是根据等百分比式调节理论得 出的,指阀杆的单位相对位移变化所引起的相对流 量变化与该点的相对流量成正比。即 Kv d Q/ Qmax d l/ L K Q Qmax 513 低压降比式套筒 低压降比式调节阀的套筒结构与常见套筒阀的 不同之处在于开窗形状和开窗面积的不同。不同的 流量特性通过不同的开窗面积分布来实现。图5表 示套筒开窗面积分布图,其中窗口宽度y随阀行 程l的变化而变化。设计低压降比式调节阀应按以 下步骤进行。 图5 窗口宽度与行程的关系 图6 窗口形状的对比 ① 分析套筒开窗面积的相对值和绝对值的分布 情况。 ② 分析yf l的关系,即随着l值的变化 y值的变化,y值和相对行程h、压降比s、总面积 S有关,是比较复杂的数学关系。在得到其函数关 系后,可以得到边界值y1和y3。 ③ 计算开窗总面积,即阀的流通总面积,可按 照流体力学的公式来计算。 ④ 选择套筒开窗结构,套筒的开窗数通常取偶 数,这样有利于流体在套筒中互相下转第25页 72006年第1期 阀 门 图4 无上盖直通式 图5 有副阀瓣的预启式 能的三通式截止阀见图6。 图6 三通式 5 结语 弹性阀瓣提高了阀门的密封性能。启闭密封副 的顺流密封结构使阀瓣和阀杆受力状况改善,从而 避免了发生阀杆失稳弯曲的事故。顺流密封的结构 又使启闭阀门的力矩均衡,最大力矩减小,为驱动 装置的减小减轻创造了条件。该阀门的结构还使截 止阀的安全性提高。 参考文献 〔1〕 杨源泉.阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 〔2〕 陆培文.实用阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2002. 〔3〕 黄海.核电阀门的技术现状及发展方向 〔J〕.阀门, 2005 3 . 收稿日期 20051121 12 上接第7页冲击而消耗静压能量,降低噪声,减 小振动。套筒的开窗面积也可以采用钻孔的方法, 即在套筒上钻出数量不同或大小各异的孔,这种方 法使开窗过程更为简便,而且更有利于降低流体所 产生的噪声和振动。 普通套筒阀的套筒开窗面积是按固有流量特性 设计的,它与低压降比式调节阀套筒的开窗面积的 分布是不相同的。图6是对同一尺寸的两种套筒的 开窗面积的对比。从图中可以看出,在两种套筒阀 的开窗面积相同时,其形状是不同的,也就是说, 随着行程变化所对应的面积完全不同,这就使它们 的固有特性与工作特性完全不同。 6 结语 轴流型调节阀加工较复杂,但流阻低,流通能 力强,灵敏度高,驱动力小,性能可靠,适用于脉 动压力及大口径工况中。 参考文献 〔1〕 吴国熙.调节阀使用与维修 〔M〕.北京化学工业出版社, 1999. 5. 〔2〕 孙克勤,张剑,杨鹤年,等.调节阀选型计算应用技术 〔J〕.数据采集与处理, 8增刊, 1993. 2. 收稿日期 20051101 21 522006年第1期 阀 门