1 概述

      多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥用于精確控制高溫、高壓、高壓差以及含有固體顆粒流體的流量和壓力。該閥綜合了普通式、多孔式和迷宮式低噪音調(diào)節(jié)閥的優(yōu)點(diǎn)，能防止液體空化產(chǎn)生汽蝕，減小了高速流體對(duì)閥內(nèi)件的沖刷，降低噪音。

      2 結(jié)構(gòu)和工作原理

      多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥按閥芯結(jié)構(gòu)可分為平衡型和不平衡型2種。

      圖1為不平衡型閥芯結(jié)構(gòu)。由于閥芯受不平衡力作用，因此克服高壓差時(shí)需要較大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力。該閥內(nèi)件為金屬剛性結(jié)構(gòu)，單個(gè)流體通道的流通截面積較大，且多級(jí)閥芯每個(gè)臺(tái)階處的刃口與套筒上的窗口在閥關(guān)閉時(shí)有剪切作用，故適合于對(duì)高溫流體及含有固體顆�；蚪Y(jié)晶體介質(zhì)的控制。

      圖2為平衡型閥芯結(jié)構(gòu)。多級(jí)閥芯上開有平衡孔，利用平衡密封環(huán)阻止平衡孔內(nèi)流體外漏。閥芯上下受均壓作用，閥芯動(dòng)作時(shí)只需克服平衡密封環(huán)及填料等處的摩擦力，因此配較小的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就能承受很高的壓差。

　　閥門工作時(shí)（圖3），流體沿平行于多級(jí)閥芯及套筒軸線方向向上流動(dòng)，通過多級(jí)閥芯的臺(tái)階及平均排列在套筒上的矩形窗口多級(jí)節(jié)流，使高壓降沿閥芯軸線方向平均分布，有效控制了流體的速度，從而起到降低噪音和防止液體空化的作用。極大地提高了閥門在苛刻工況條件下的使用壽命。

　　3 性能分析

      多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥的公稱壓力為ANSI600Lb、900Lb、1500Lb和2500Lb，其流量特性如圖4所示。在閥行程的0～12%之間，流量近似為0，而后流量直線上升，為標(biāo)準(zhǔn)直線特性。這是考慮到閥門在啟閉和小流量開度時(shí)，高壓差全部集中在閥芯和閥座的密封面上，高速流體會(huì)對(duì)密封面造成嚴(yán)重沖刷，甚至產(chǎn)生空化氣蝕。為了保護(hù)閥內(nèi)件不受損壞，提高閥門的使用壽命，特設(shè)計(jì)12%以下的行程為空行程（圖5），即閥芯和閥座開啟行程低于12%時(shí)，套筒上的窗口并未打開，當(dāng)行程大于12%時(shí)，套筒窗口才開始降壓節(jié)流，對(duì)流體進(jìn)行精確平穩(wěn)地控制。

　　4 材料選擇

　　材料選擇主要考慮到強(qiáng)度、接觸硬度和熱膨脹系數(shù)，閥內(nèi)件應(yīng)抗沖刷，耐腐蝕，并防止在高溫高壓下變形和咬死（表1）。閥體宜采用鍛件，粗加工后必須經(jīng)過超聲波探傷檢驗(yàn)。閥門填料可使用碳纖維聚四氟乙烯編織填料或帶金屬網(wǎng)填充柔性石墨等高強(qiáng)度填料。為防止高壓流體經(jīng)填料函外泄，故填料必須壓得很緊，這就加大了填料與閥桿的摩擦力，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致閥桿磨損，并且填料還可能會(huì)對(duì)閥桿表面造成點(diǎn)狀侵蝕。所以閥桿表面必須進(jìn)行硬化處理，以提高閥桿的壽命。

　　5 設(shè)計(jì)及CV計(jì)算

　　多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥流向采用底進(jìn)側(cè)出，通過多級(jí)閥芯和套筒來控制液體的壓力和流量。由于液體為不可壓縮性流體，因此設(shè)計(jì)多級(jí)閥芯和套筒窗口時(shí)，要求各級(jí)流道的流通截面積相等。

      設(shè)A₁為閥芯臺(tái)階環(huán)形流通截面積（mm²），A₂為套筒窗口徑向流通總截面積（mm²），A₃為套筒窗口軸向流通總截面積（mm2），S為閥行程（mm），參見圖3和圖5。則

A₂=2W（L-E）

A₃=4Wt

由于A₁=A₂=A₃，則

t=S·δ

L=2（S·δ）+E

      套筒窗口上方4-Φh孔只起流通作用，而不作節(jié)流用。為不影響套筒的流通能力，4-Φh孔的總流通截面積A3≥1.5A1。

      套筒流通能力C_VC為

      閥座流通能力C_Vb為

      閥的總流通能力C_V為

      式中 k——套筒流通系數(shù)
              r——閥座半徑，mm
              K——閥總流通系數(shù)，可取31　　

      多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥也可用于氣體、蒸汽及氣液兩相流的場合。由于氣體是可壓縮性流體，壓力降低時(shí)體積急劇膨脹，因此進(jìn)行流道設(shè)計(jì)時(shí)要將套筒窗口流通截面a、b、c、d（圖3）按一定的系數(shù)逐級(jí)放大。

　　6 強(qiáng)度校驗(yàn)

　　強(qiáng)度校驗(yàn)主要是閥桿（圖6）的撓曲強(qiáng)度計(jì)算以及套筒的壓應(yīng)力校驗(yàn)。

　　閥桿撓曲強(qiáng)度計(jì)算包括閥桿柔度λ和材料柔度λ_p，及閥桿臨界載荷P_er和許用載荷P_A等。

      當(dāng)λ≥λp時(shí)，采用歐拉公式

      式中 μ——壓桿長度系數(shù)，取μ=1
           E——材料彈性模量，MPa
           δp——材料比例極限強(qiáng)度，MPa
           A——閥桿橫截面積，mm^{2
             _{N——安全系數(shù)，取1.6}}

　　若閥桿的許用載荷P_A不能滿足設(shè)計(jì)要求，可通過更換材料提高強(qiáng)度。比如SUS316的屈服極限σs=205MPa，而17-4PH/沉淀硬化處理后其屈服極限σs=863MPa。如果閥桿材料一定，而許用載荷PA不能滿足設(shè)計(jì)要求，則可以把閥桿設(shè)計(jì)成階梯軸（圖6b）。閥桿結(jié)構(gòu)尺寸L₁應(yīng)盡量短，以保證閥門行程為準(zhǔn)。L₂盡量設(shè)計(jì)長，這樣有利于提高閥桿的剛度。

      套筒的壓應(yīng)力校驗(yàn)（圖7）為

      式中σ——套筒承受的壓應(yīng)力，MPa
      N_max——套筒承受的軸向壓力，N

    σs——材料的屈服極限，MPa
 

　　7 結(jié)語

　　多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)獨(dú)特，控制效果好，使用壽命長，性能價(jià)格比高。該閥主要應(yīng)用于電站、石油、化工和化肥等行業(yè)。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司