多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)

1、多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)  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

2、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

3、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012%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)

4、，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

5、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·L=2(S·)+E      套筒窗口上方4-h孔只起流通作用，而不作節(jié)流用。為不影響套

6、筒的流通能力，4-h孔的總流通截面積A31.5A1。      套筒流通能力CVC為      閥座流通能力CVb為      閥的總流通能力CV為      式中 k套筒流通系數(shù)              r閥座半徑，mm    

7、;          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(chǎng)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)算包括閥桿柔度和材料柔度p，及閥桿臨界載荷Per和許用載荷PA等。     

8、 當(dāng)p時(shí)，采用歐拉公式      式中 壓桿長度系數(shù)，取=1           E材料彈性模量，MPa           p材料比例極限強(qiáng)度，MPa           A閥桿橫截面積，mm2   

9、0;         N安全系數(shù)，取1.6若閥桿的許用載荷PA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s=205MPa，而17-4PH/沉淀硬化處理后其屈服極限s=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      式中套筒承受的壓應(yīng)力，MPa