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軸流型調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)性能分析
發(fā)布于：2019/11/13 9:35:21 點(diǎn)擊量：136
1 概述
我國調(diào)節(jié)閥技術(shù)經(jīng)近30年的引進(jìn)、革新和發(fā)展，有了很大的進(jìn)步，但是同國際先進(jìn)水平相比還有較大的差距，主要是高溫、高壓、大口徑調(diào)節(jié)閥存在卡塞、振動(dòng)、噪聲大、驅(qū)動(dòng)力矩過大、可靠性低、使用時(shí)間短、密封填料易漏等問題。同時(shí)在理論研究及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上還不能跟上現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。軸流型調(diào)節(jié)閥是一種全新結(jié)構(gòu)的閥門，它吸取了套筒調(diào)節(jié)閥的優(yōu)點(diǎn)，使套筒與閥芯在閥體內(nèi)腔順流道放置，流體在通過調(diào)節(jié)閥的過程中流向基本不發(fā)生改變，順管道軸向方向流動(dòng)，這樣可以減小流道流阻，增大閥門的流通能力。
2 結(jié)構(gòu)
軸流型調(diào)節(jié)閥改變了普通調(diào)節(jié)閥（圖1）的整體流通結(jié)構(gòu)，使介質(zhì)在閥內(nèi)軸向順環(huán)形流道流動(dòng)，流體在閥體內(nèi)的流向轉(zhuǎn)變很小，能量損失較少。整體鑄造圓桶結(jié)構(gòu)更加適應(yīng)了承壓容器的受力要求，承壓性能好。普通調(diào)節(jié)閥的流通能力受球形閥體的S形流道結(jié)構(gòu)約束無法增大，其原因是介質(zhì)在流道內(nèi)經(jīng)多次的流向改變，易形成旋渦，互相碰撞，消耗能量。而且在口徑大于DN400mm時(shí)，閥的行程太長，調(diào)節(jié)靈敏度降低，整體結(jié)構(gòu)笨重，驅(qū)動(dòng)力過大。軸流型調(diào)節(jié)閥的閥體流道順管線中介質(zhì)流向設(shè)計(jì)，并且在閥體內(nèi)腔設(shè)置流線圓錐狀導(dǎo)流罩，疏導(dǎo)流體的流速及流向，使管道流體分布均勻，壓力均衡。節(jié)流部件參考套簡閥的結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于軸流型調(diào)節(jié)閥將套筒順管道流向安裝，使閥芯在套筒內(nèi)軸向動(dòng)作，閥芯可以設(shè)計(jì)為壓力平衡式結(jié)構(gòu)，抵消因節(jié)流口前后壓差引起的不平衡力，從而改善了普通調(diào)節(jié)閥口徑小，壓差小的約束。
3 工作原理
軸流型調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)過程如圖2所示。介質(zhì)從閥體左端進(jìn)入閥體內(nèi)腔，經(jīng)流線型導(dǎo)流罩的疏導(dǎo)作用將流體引入環(huán)型流道，即介質(zhì)是在閥體外壁與內(nèi)部導(dǎo)流殼形成的夾層空間流動(dòng)。然后根據(jù)控制信號(hào)的大小，執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，使軸向閥桿拉動(dòng)閥芯在套筒中滑動(dòng)。在套筒的四周設(shè)計(jì)有不同調(diào)節(jié)特性的節(jié)流窗口，閥芯的移動(dòng)引起節(jié)流口的大小變化，從而實(shí)現(xiàn)了流量及壓力的調(diào)節(jié)。
當(dāng)介質(zhì)從軸向弧狀流道進(jìn)入外殼，錐型導(dǎo)流罩殼可以梳直流體，使流體速度分布均勻，這樣能量損失較小。然后經(jīng)過套筒窗口，向套筒中部集中，流出閥門。無論活塞在何位置，閥腔內(nèi)無論任何位置水流斷面均為環(huán)狀，在出口處向軸心收縮，從而避免因節(jié)流而可能產(chǎn)生的氣蝕對(duì)閥體和管道的破壞，而調(diào)節(jié)特性可以在套筒上開設(shè)不同形狀的窗口實(shí)現(xiàn)。軸流型流量調(diào)節(jié)閥能滿足各種特殊調(diào)節(jié)要求的工況。調(diào)節(jié)功能是靠一類似于活塞狀圓柱體閥芯在閥腔內(nèi)作軸向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，它的行程與管內(nèi)介質(zhì)流向一致。介質(zhì)從軸向弧狀進(jìn)入外殼，活塞閥內(nèi)的流道為軸對(duì)稱形，流體流過時(shí)不會(huì)產(chǎn)生紊流。
軸流型調(diào)節(jié)閥閥體可設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，具有高流通能力，流量特性可隨用戶需求更換套筒，能有效地避免氣蝕和震動(dòng)。內(nèi)殼有流線型的導(dǎo)流筋和外殼相連，活塞用安裝在殼內(nèi)的斜齒條副或齒輪齒條副或曲柄連桿機(jī)構(gòu)操作。因而增加了力臂區(qū)間，使驅(qū)動(dòng)力減小。軸流型調(diào)節(jié)閥可采用金屬對(duì)金屬及金屬與橡膠雙重密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙向氣泡級(jí)密封，從而達(dá)到密封系統(tǒng)使用壽命長，關(guān)閉嚴(yán)密。
4 性能分析
普通調(diào)節(jié)閥的整體結(jié)構(gòu)是球形的。內(nèi)部流道基本上象一個(gè)平置的S形，流體進(jìn)入閥體后經(jīng)過流向的多次轉(zhuǎn)變，特別是節(jié)流口前后有兩次90°的突然轉(zhuǎn)變，對(duì)流體動(dòng)能的損失較大，因而流阻高。從流路上分析，其流路復(fù)雜，Cv值小，防堵差，尺寸大，動(dòng)作不靈敏，外觀差。從移動(dòng)方式分析，閥桿上下運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)摩擦大，閥桿密封差，抗振動(dòng)性能差。從結(jié)構(gòu)上分析，單密封允許壓差小，雙密封泄漏大，閥芯在中間，無法避開高速介質(zhì)的直接沖刷。影響使用壽命。
軸流型調(diào)節(jié)閥解決了普通調(diào)節(jié)閥閥芯垂直節(jié)流，而介質(zhì)水平流進(jìn)流出，閥腔內(nèi)流道轉(zhuǎn)彎，流路形狀復(fù)雜的（形狀如倒S型）狀態(tài)。這樣，就不存在介質(zhì)流動(dòng)死區(qū)，不會(huì)造成堵塞。軸流結(jié)構(gòu)流阻低，內(nèi)外殼體整體鑄造，抗介質(zhì)脈動(dòng)振動(dòng)性好，使脈動(dòng)壓力抵消在閥體內(nèi)壁，不直接作用于閥芯或套筒，適用于調(diào)節(jié)管道介質(zhì)流量、流態(tài)以及調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力的工況中。軸流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用使其適于污水堵塞滑道，不易結(jié)垢，不易卡阻。平衡式閥芯結(jié)構(gòu)使驅(qū)動(dòng)裝置明顯減小。而軟硬雙重密封結(jié)構(gòu)，保證閥門滲漏量為零，可作為截止閥使用。
5 套筒設(shè)計(jì)
工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的多樣性決定了調(diào)節(jié)閥必須具備靈活的可調(diào)結(jié)構(gòu)，軸流型調(diào)節(jié)閥要適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展也必須具備此特點(diǎn)。套筒是為適應(yīng)高壓差，大口徑的管道需要而設(shè)計(jì)的一種流量節(jié)流零件。套筒閥因其獨(dú)特的導(dǎo)向穩(wěn)定性和易于實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)被廣泛使用，套筒閥的發(fā)明使原有閥門的流通能力提高了20%。套筒是為解決單座閥流通能力過低，不平衡力大而設(shè)計(jì)的一種結(jié)構(gòu)，使用較廣泛。軸流型調(diào)節(jié)閥吸取了它的優(yōu)點(diǎn)，延用了此結(jié)構(gòu)。套筒（圖4）分為低噪聲式、線性特性式、等百分比式和低壓降比式等。
5.1 低噪聲式套筒
低噪聲套筒也分等百分比式和線性特性兩種調(diào)節(jié)特性，關(guān)鍵是將原大型孔口用幾組按一定規(guī)律排列的小孔代替（如圖4）。或設(shè)計(jì)成一組多層節(jié)流套筒組合的形式，使介質(zhì)分段降壓，并使聲波在進(jìn)入小孔之前就相互撞擊，消耗能量。在設(shè)計(jì)套筒上孔的數(shù)量及孔的大小以及孔的排列方式上按小孔節(jié)流理論，根據(jù)設(shè)計(jì)壓差計(jì)算流速，使流束在套筒中間能夠互相碰撞，達(dá)到消耗聲能的目的。
5.2 線性特性及等百分比式套筒
線性特性套筒是根據(jù)線形流量特性的要求，將套筒窗口的形狀數(shù)量按所設(shè)計(jì)閥流通能力的大小，將節(jié)流口按行程變化要求經(jīng)過理論與實(shí)驗(yàn)修正得出的。即根據(jù)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與閥芯的相對(duì)位移成直線關(guān)系（即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)），即
式中 Q— 實(shí)際流量，m3/s
Qmax— 最大流量，m3/s
l — 實(shí)際位移，m
L— 套筒長度，m
等百分比式套筒是根據(jù)等百分比式調(diào)節(jié)理論得出的，指閥桿的單位相對(duì)位移變化所引起的相對(duì)流量變化與該點(diǎn)的相對(duì)流量成正比。即
5.3 低壓降比式套筒
低壓降比式調(diào)節(jié)閥的套筒結(jié)構(gòu)與常見套筒閥的不同之處在于開窗形狀和開窗面積的不同。不同的流量特性通過不同的開窗面積分布來實(shí)現(xiàn)。圖5表示套筒開窗面積分布圖，其中窗口寬度y隨閥行程L的變化而變化。設(shè)計(jì)低壓降比式調(diào)節(jié)閥應(yīng)按以下步驟進(jìn)行。
① 分析套筒開窗面積的相對(duì)值和絕對(duì)值的分布情況。
② 分析y=f（l）的關(guān)系，即隨著l 值的變化y值的變化，y值和相對(duì)行程h、壓降比s、總面積S有關(guān)，是比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系。在得到其函數(shù)關(guān)系后，可以得到邊界值y1和y3。
③ 計(jì)算開窗總面積，即閥的流通總面積，可按照流體力學(xué)的公式來計(jì)算。
④ 選擇套筒開窗結(jié)構(gòu)，套筒的開窗數(shù)通常取偶數(shù)，這樣有利于流體在套筒中互相沖擊而消耗靜壓能量，降低噪聲，減小振動(dòng)。套筒的開窗面積也可以采用鉆孔的方法，即在套筒上鉆出數(shù)量不同或大小各異的孔，這種方法使開窗過程更為簡便，而且更有利于降低流體所產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)。
普通套筒閥的套筒開窗面積是按固有流量特性設(shè)計(jì)的，它與低壓降比式調(diào)節(jié)閥套筒的開窗面積的分布是不相同的。圖6是對(duì)同一尺寸的兩種套筒的開窗面積的對(duì)比。從圖中可以看出，在兩種套筒閥的開窗面積相同時(shí)，其形狀是不同的，也就是說，隨著行程變化所對(duì)應(yīng)的面積完全不同，這就使它們的固有特性與工作特性完全不同。
6 結(jié)語
軸流型調(diào)節(jié)閥加工較復(fù)雜，但流阻低，流通能力強(qiáng)，靈敏度高，驅(qū)動(dòng)力小，性能可靠，適用于脈動(dòng)壓力及大口徑工況中。
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