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1 前言

我国调节阀技术经近三十年的引进革新发展, 有了巨大的进步, 但是同国际水平相比还有较大的差距, 主要表现在高温、高压、大口径领域, 我国阀门普遍存在卡死、振动、噪音大、驱动力矩过大、可靠性低、寿命短、密封填料易漏等问题。同时在理论研究、结构创新上还不能跟上现代工业发展的需求。轴向调节型控制阀是一种有别于Cv3000 系列调节阀的全新结构阀门, 它抛开了常用调节阀球型阀体结构、“S”型流道的束缚, 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, 顺管道方向轴向流动, 这样便可以减小流道流阻、增大阀门的流通能力。是一种值得调节阀研究工作者关注的阀门结构形式, 本文对其结构进行初略分析比较与同行交流, 以促进调节阀结构创新的研究。

2 轴向调节型控制阀整体结构介绍

轴向调节型控制阀不同于传统调节阀的流通方式, 它改变了以往调节阀的整体流通结构, 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。传统调节阀的流通能力,按球型阀体结构“S”形流道结构的约束无法进一步增大, 原因是介质在流道内经多次的流向改变, 介质在流道内易形成旋涡, 互相碰撞, 消耗能量。而且Cv3000系列调节阀在口径大于DN400 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。轴向控制阀避免了上述缺点, 使阀体流道顺管线流向轴向设计,并且在阀体内腔设置流线圆锥导流罩, 疏导流体的流速及流束, 使管道流体分布均匀, 压力均衡, 介质在阀的控制过程中流向基本不发生大的转变。节流部件参考套筒阀的结构, 区别在于轴流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, 从而改善了常规阀口径不能做大, 压差不大的约束。如图1 示轴流型调节有阀体、阀芯、套筒、阀座等零件组成。

3 轴向调节型控制阀的动作原理

作为调节阀最基本的功能就是实现管道流体的流量或压力调节, 根据流体力学理论要实现调节必然有可调的节流元件。轴向调节型控制阀的调节过程如图1 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, 在套筒的四周开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化, 从而实现了流量及压力的调节。

如图2 所示, 介质从轴向弧状进入外壳, 锥状导流罩壳可以起到梳直流体作用, 使流体速度分布均匀, 这样能量损失较小。然后流过套筒窗口, 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, 从而避免因节流可能产生的气蚀对阀体和管道的破坏, 同时调节特性可以在套筒上开不同形状的窗口实现。轴向式流量调节阀与只用作管线切断的蝶阀和闸阀不同,轴向控制阀是能满足各种特殊调节要求的阀门。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来实现的, 它的行程与管内介质流向是一致的。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。

轴向控制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肋和外壳相连,活塞用安装在壳内的斜齿条幅或齿轮齿条幅或曲柄连杆机构来操作。因而增加了力臂区间, 使驱动力减小。轴流阀可采用金属对金属及金属与橡胶双重密封, 实现双向气泡级密封, 因此密封系统使用寿命长,关闭严密。

4 性能对比分析

4.1 如图3 所示,常用调节阀的整体结构是球型的,内部流道基本上象一个平置的“S”, 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。经过实践的验证, 可以得出普通直行程“S”型调节阀结构存在如下缺点:

4.1.1 从流路上分析, 直行程阀流路复杂, 导致4 个不足：

( 1) Cv 值小; ( 2) 防堵差; ( 3) 尺寸大, 笨重; ( 4) 外观差。

4.1.2 直行程阀阀杆上下运动, 滑动摩擦大, 导致2 个不足:

( 1) 阀杆密封差, 寿命短; ( 2) 抗振动性能差。

4.1.3 从结构上分析, 导致3 个不足：

( 1) 单密封允许压差小; ( 2) 双密封泄漏大; ( 3) 阀芯在中间无法避开高速介质的直接冲刷,寿命短。

4.2 轴向型调节结构的优点

4.2.1 轴向控制结构解决了直行程阀阀芯垂直节流, 而介质水平流进流出, 这样, 就不会存在许多死区, 不会造成堵塞。

4.2.2 轴向控制结构流阻低, 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, 最适宜用于起调节管道介质流量、流态以及调节管网压力。

4.2.3 该阀最优于传统流量调节阀的特点就在于它的轴流结构设计和材料选用使其不怕污水堵塞滑道, 不怕结垢现象, 不易卡阻。

4.2.4 平衡式阀芯结构使驱动装置明显减小。

4.2.5 软硬双重密封结构, 保证全关渗漏量为零, 可作为截止阀使用。

5 套筒设计分析

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, 轴向控制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%, 到现在套筒阀还作为调节阀市场的主导产品而广泛使用, 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, 是当前调节阀市场使用最广泛的一种结构。轴流阀吸取了它的优点, 延用了此结构, 套筒不管对普通阀还是轴流阀都是致关重要的, 下面简单介绍常用的几种结构:

5.1 低噪音型套筒结构

低噪音套筒也分为等百分比和线性特性两种调节特性, 关键是在于将原大孔型窗口被几组按一定规律排列的小孔所代替,( 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, 使流束在套筒中间要能够互相碰撞, 达到消耗声能的目的。

5.2 线形特性套筒及等百分比套筒

线形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) , 其数学表达式为:

等百分比套筒与线形套筒类似是根据等百分比调节理论得出的, 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。其数学表达式为:

5.3 低压降比套筒的设计

低压降比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。图5 中窗口宽度y 值随阀行程l 的变化而变化, 这是要确定的关键值。

●设计步骤简述如下:

( 1) 分析套筒开窗面积的相对值和绝对值的分布情况。

图5 窗口宽度与行程的关系

( 2) y=f( l) 的计算即随着l 值的变化y值变化, y 值和相对行程h、压降比s、总面积S_总有关, 是比较复杂的数学关系。在得到它的函数关系后,可以得到边界值y1、y3。

( 3) 求开窗总面积

开窗面积也就是阀的流通总面积, 可按照流体力学的公式来计算。

( 4) 套筒开窗结构的考虑

套筒的开窗数通常取偶数, 这样有利于流体在套筒中互相冲击而把静压能量消耗掉, 降低噪声, 避免振动。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、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。

传统套筒阀产品的套筒开窗面积是按固有流量特性设计的, 它与低压降比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6 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 结论

通过分析对比可以得出轴向控制调节阀具有解决常用调节阀缺点的特点, 特别在脉动压力及大口径情况下, 轴向控制阀具有不可替代的优点。虽然此结构因加工的特殊性制约了其在调节阀市场的推广, 但是它所表现出的可靠性、可扩展性将会逐步被调节阀厂家及用户认可, 希望通过此文与同行门共勉。

(来源：宁夏机械)