1 概述

    控制閥是過程控制回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，過程控制技術(shù)發(fā)展是控制閥技術(shù)改進(jìn)完善的動(dòng)力。V形切口球體具有等百分比的流量特性，這種控制閥有良好的可調(diào)比、控制和關(guān)閉能力。在造紙工業(yè)、石油化工、污水處理工廠和電力工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

    2 性能

    2.1 定義

    控制閥是過程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)流體流量并由動(dòng)力操作的裝置^[1，2]，它包括一個(gè)連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥。執(zhí)行機(jī)構(gòu)能響應(yīng)系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)，改變閥內(nèi)截流件的位置。美國(guó)儀表學(xué)會(huì)（ISA）將控制閥定義為是由閥體組件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組件和控制附件等組合的控制節(jié)流裝置并接受標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閥瓣開度控制和程序邏輯二位式開或關(guān)控制。美國(guó)Fisher公司的《控制閥手冊(cè)》在過程控制術(shù)語部分將控制閥作為組合體，其包括安裝在閥體組件上的所有分組件，即閥體組件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、定位器、調(diào)壓器、轉(zhuǎn)換器、電磁閥和限位開關(guān)等，通常簡(jiǎn)稱控制閥。

    按閥內(nèi)截流件運(yùn)動(dòng)形式區(qū)分，控制閥主要有直動(dòng)式和旋轉(zhuǎn)式兩種。旋轉(zhuǎn)式控制閥的流體截流元件（全球、部分球、閥瓣或球塞）在流體通道里旋轉(zhuǎn)，以控制閥門流量。V形切口球體旋轉(zhuǎn)控制閥的流體截流元件是V形切口扇形球閥瓣，屬于部分球體旋轉(zhuǎn)控制閥類。

    2.2 結(jié)構(gòu)

    V形切口球體旋轉(zhuǎn)控制閥在結(jié)構(gòu)上類似于球閥，不同部分在于流體截流元件為扇形部分球體。在球體上具有V形切口形成的節(jié)流輪廓設(shè)計(jì)，屬美國(guó)Fisher公司的技術(shù)。V形切口球體旋轉(zhuǎn)控制閥是一種通用型控制閥，其直通式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，流路通暢，流動(dòng)阻力小，壓力恢復(fù)系數(shù)FL值較小，具有高壓力恢復(fù)能力，產(chǎn)生的壓力降較小，流量系數(shù)較大。可降低能耗，經(jīng)濟(jì)適用。

    V形切口球體旋轉(zhuǎn)控制閥的閥瓣和閥體設(shè)計(jì)構(gòu)成的流路適合于沖刷性或粘滯性流體、紙漿等包含混合固體、纖維漿料的流體。其獨(dú)特的流路設(shè)計(jì)形成了近似等百分比流量特性，可調(diào)比大于300:1，具有連續(xù)二位式邏輯開、關(guān)切斷控制功能。工作適應(yīng)范圍廣，控制功能強(qiáng)。

    球體的控制開度通常為90°，閥座相對(duì)靜止。在球體旋轉(zhuǎn)和關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生剪切效果，克服顆粒纖維粘附現(xiàn)象。保證優(yōu)良的切斷密封性能和可靠性。組合式密封閥座結(jié)構(gòu)，適應(yīng)工況范圍廣，可靠性高。其標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接端有無法蘭連接端和有法蘭連接端兩種形式。兩種法蘭連接端形式都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可滿足ANSI 150、300、600壓力等級(jí)范圍的標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)。無法蘭連接端閥體較輕小，有法蘭連接端閥體載荷能力強(qiáng)。

    2.3 配置

    執(zhí)行機(jī)構(gòu)選配方便靈活，可組配標(biāo)準(zhǔn)的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有可靠性高，經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。組配活塞直動(dòng)和旋轉(zhuǎn)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提供較大推力和轉(zhuǎn)矩，滿足較大壓差以及重載控制的要求，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件和要求，組配其他類型（如電動(dòng)、液動(dòng)、電-液動(dòng)等）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。并可根據(jù)需要選配儀表附件，在DCS系統(tǒng)里完成每一個(gè)控制回路的過程控制的功能要求。

    3 發(fā)展概況

    V形切口球體旋轉(zhuǎn)控制閥由美國(guó)Fisher公司首創(chuàng)，已擁有V100、V150、V200、V300等系列�？趶椒秶鶧N25-300，壓力等級(jí)ANSI 150、300、600，流量系數(shù)C_v8.4~3980。V形大口徑系列的口徑范圍DN350~600，壓力等級(jí)ANSI 150、300，流量系數(shù)C_v5610~10300。另有V250系列，偏心球系列V500和DV500。精小流量Vee-Ball口徑范圍DN25~50。

    Fisher Vee-Ball具有同類產(chǎn)品中的控制精度，良好的剪切能，較小的死區(qū)和運(yùn)動(dòng)損失。內(nèi)件可換，降低備件庫存。HD金屬密封，耐磨損，配合特殊設(shè)計(jì)的內(nèi)件，可抗侵蝕，防氣蝕或降躁聲。Fisher V500和DV500為過程工業(yè)提供了兩種特別耐沖蝕的控制閥。閥瓣為偏心設(shè)計(jì)，從316不銹鋼到陶瓷等多種閥內(nèi)件，具有優(yōu)異的耐沖蝕性能。SS138A型Vee-Ball裝有可調(diào)金屬密封和一個(gè)V形球體，能實(shí)現(xiàn)微流量控制（圖2）^[3]。

    美國(guó)Valtek公司的Shear Stream Control Valves系列V形切口球體旋轉(zhuǎn)控制閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和Fisher公司的V150系列類同。歐洲Neless公司Reduced-borequarter-turnvalve系列V形切口球體旋轉(zhuǎn)控制閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為微小量、低躁聲、高粘度和低流阻等4種型式。

    日本KOSO公司210C、210E、220E系列，球體采用了同心和偏心兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有互換性。日本山武公司空調(diào)用全V形切口球體旋轉(zhuǎn)控制閥驅(qū)動(dòng)軸球體系列，改進(jìn)了節(jié)流口設(shè)計(jì)，提高了控制精度，延伸了小流量控制功能。

    歐洲GOSCO工程公司的VARI-V系列V形切口球體旋轉(zhuǎn)控制閥系列，在提高流量特性控制精度方面有大的突破，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特。將節(jié)流口設(shè)計(jì)在閥座上，便于修正固有流量特性，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍（圖3）^[4]。

    Fisher公司V500、DV500、SS138A的開發(fā)研制集中反映了其新品開發(fā)的順應(yīng)性思維，采取控制閥體各組件結(jié)構(gòu)性能改善提高的方法，重點(diǎn)完善了定位器執(zhí)行機(jī)構(gòu)。改進(jìn)閥體組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，在死區(qū)的減磨和提高特性精度等控制性能方面有明顯改善。另外日本KOSO公司210C、210E、220E系列的互換性，山武公司在小流量延伸控制方面以及歐洲GOSCO工程公司在提高流量特性控制精度上的突破都是產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步的新思維。

    4 三偏心閥瓣設(shè)計(jì)

    三偏心閥瓣具有很多優(yōu)點(diǎn)，①密封性好，閥瓣越旋越緊，錐面鎖密封定位，有利于開關(guān)，無過位，消除了密封啟閉空程，改善了小開度控制特性。②耐磨損，疊片彈性金屬硬密封閥座，三偏心錐面密封閥瓣，消除了閥座密封摩擦力。③操作方便，90°全行程。三偏心閥瓣結(jié)構(gòu)見圖4。

    （1）假設(shè)

    設(shè)當(dāng)e=0時(shí)，P₁、K₂和P₂、K₁的旋轉(zhuǎn)軌跡圓分別為n和m，其半徑分別為R_n和R_m且滿足R_n<R_m。

    （2）a和的求解

    在xoy坐標(biāo)系中，P₁和P₂的坐標(biāo)為

    則直線P₀P₁的斜率為

        （1）

    P₀P₁的方程為y=K_pp+b₁，將P₁點(diǎn)坐標(biāo)代入，則直線P₀P₁的截距為

        （2）

    K₁和K₂點(diǎn)的坐標(biāo)為

    則直線P₀K₁的斜率為

        （3）

    P₀K₁的方程為y=K_pkx+b₂，將K₁點(diǎn)坐標(biāo)代入式（3）中，則直線P₀K₁的截距為

    則P₀的坐標(biāo)（x₀，y₀）為

    由此求得偏心角α

    通過式（1）~（4）求出K_pp，b₁和K_pk，b₂，代入式（5）和（6），可求出α和β。

    （3）密封副接觸范圍Δ（圖4）

    坐標(biāo)變換以x′oy′變換為

    x′=xcosα+ysinα，y′=-xsinα+ycosα  （7）

    則P₁和K₂在x′oy′坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

    P₁點(diǎn)

    K₂點(diǎn)

    密封副接觸范圍

        （8）

    （4）軸向偏心L

    設(shè)圖4中E₀（x₀′，y₀′）為密封副接觸位置，E₀點(diǎn)到P₁點(diǎn)的距離為f，則閥座中心線軸向偏心L為

    式中r為閥座密封面的曲率半徑，得

        （9）

    （5）閥座通道直徑φ

    在Δ范圍內(nèi)密封副的接觸軌跡為圓形軌跡，首先，求出密封幅接觸軌跡圓的直徑φ′，然后求出閥座通道直徑φ。據(jù)圖3，直線P₀P₁在x′oy′坐標(biāo)系的斜率為K_pp′=tg（α+φ），則其直線方程為

    y′=tg（α+φ）x′+b₁′

    將P₁（x′，y′）代入求得b₁′，然后將x₀′代入求出y₀′，則

    φ值應(yīng)大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的*小通道直徑。

    在DN100mm PN6.4MPa的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)其主要參數(shù)α≈2°，β≈96°，Δ≈9.6mm，L≈62.8mm，φ≈106mm>102mm，e=2.5mm，e′=2mm。閥門密封試驗(yàn)達(dá)到ANSI B16.104的V級(jí)，可控制溫度為450~500℃的蒸汽。

    5 結(jié)語

    V形切口球體旋轉(zhuǎn)控制閥以本身所具有的特點(diǎn)在過程控制中獲得了廣泛應(yīng)用，其中三偏心結(jié)構(gòu)性能獨(dú)特，具有良好的發(fā)展前景。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司