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軸流型調節閥結構性能分析
發布于：2019/11/13 9:35:21 點擊量：154
1 概述
我國調節閥技術經近30年的引進、革新和發展，有了很大的進步，但是同國際先進水平相比還有較大的差距，主要是高溫、高壓、大口徑調節閥存在卡塞、振動、噪聲大、驅動力矩過大、可靠性低、使用時間短、密封填料易漏等問題。同時在理論研究及結構創新上還不能跟上現代工業發展的需求。軸流型調節閥是一種全新結構的閥門，它吸取了套筒調節閥的優點，使套筒與閥芯在閥體內腔順流道放置，流體在通過調節閥的過程中流向基本不發生改變，順管道軸向方向流動，這樣可以減小流道流阻，增大閥門的流通能力。
2 結構
軸流型調節閥改變了普通調節閥（圖1）的整體流通結構，使介質在閥內軸向順環形流道流動，流體在閥體內的流向轉變很小，能量損失較少。整體鑄造圓桶結構更加適應了承壓容器的受力要求，承壓性能好。普通調節閥的流通能力受球形閥體的S形流道結構約束無法增大，其原因是介質在流道內經多次的流向改變，易形成旋渦，互相碰撞，消耗能量。而且在口徑大于DN400mm時，閥的行程太長，調節靈敏度降低，整體結構笨重，驅動力過大。軸流型調節閥的閥體流道順管線中介質流向設計，并且在閥體內腔設置流線圓錐狀導流罩，疏導流體的流速及流向，使管道流體分布均勻，壓力均衡。節流部件參考套簡閥的結構，區別在于軸流型調節閥將套筒順管道流向安裝，使閥芯在套筒內軸向動作，閥芯可以設計為壓力平衡式結構，抵消因節流口前后壓差引起的不平衡力，從而改善了普通調節閥口徑小，壓差小的約束。
3 工作原理
軸流型調節閥的調節過程如圖2所示。介質從閥體左端進入閥體內腔，經流線型導流罩的疏導作用將流體引入環型流道，即介質是在閥體外壁與內部導流殼形成的夾層空間流動。然后根據控制信號的大小，執行機構帶動傳動系統，使軸向閥桿拉動閥芯在套筒中滑動。在套筒的四周設計有不同調節特性的節流窗口，閥芯的移動引起節流口的大小變化，從而實現了流量及壓力的調節。
當介質從軸向弧狀流道進入外殼，錐型導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，閥腔內無論任何位置水流斷面均為環狀，在出口處向軸心收縮，從而避免因節流而可能產生的氣蝕對閥體和管道的破壞，而調節特性可以在套筒上開設不同形狀的窗口實現。軸流型流量調節閥能滿足各種特殊調節要求的工況。調節功能是靠一類似于活塞狀圓柱體閥芯在閥腔內作軸向運動實現，它的行程與管內介質流向一致。介質從軸向弧狀進入外殼，活塞閥內的流道為軸對稱形，流體流過時不會產生紊流。
軸流型調節閥閥體可設計成一個整體，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。內殼有流線型的導流筋和外殼相連，活塞用安裝在殼內的斜齒條副或齒輪齒條副或曲柄連桿機構操作。因而增加了力臂區間，使驅動力減小。軸流型調節閥可采用金屬對金屬及金屬與橡膠雙重密封結構，實現雙向氣泡級密封，從而達到密封系統使用壽命長，關閉嚴密。
4 性能分析
普通調節閥的整體結構是球形的。內部流道基本上象一個平置的S形，流體進入閥體后經過流向的多次轉變，特別是節流口前后有兩次90°的突然轉變，對流體動能的損失較大，因而流阻高。從流路上分析，其流路復雜，Cv值小，防堵差，尺寸大，動作不靈敏，外觀差。從移動方式分析，閥桿上下運動，滑動摩擦大，閥桿密封差，抗振動性能差。從結構上分析，單密封允許壓差小，雙密封泄漏大，閥芯在中間，無法避開高速介質的直接沖刷。影響使用壽命。
軸流型調節閥解決了普通調節閥閥芯垂直節流，而介質水平流進流出，閥腔內流道轉彎，流路形狀復雜的（形狀如倒S型）狀態。這樣，就不存在介質流動死區，不會造成堵塞。軸流結構流阻低，內外殼體整體鑄造，抗介質脈動振動性好，使脈動壓力抵消在閥體內壁，不直接作用于閥芯或套筒，適用于調節管道介質流量、流態以及調節管網壓力的工況中。軸流結構設計和材料選用使其適于污水堵塞滑道，不易結垢，不易卡阻。平衡式閥芯結構使驅動裝置明顯減小。而軟硬雙重密封結構，保證閥門滲漏量為零，可作為截止閥使用。
5 套筒設計
工業生產控制系統的多樣性決定了調節閥必須具備靈活的可調結構，軸流型調節閥要適應現代工業的發展也必須具備此特點。套筒是為適應高壓差，大口徑的管道需要而設計的一種流量節流零件。套筒閥因其獨特的導向穩定性和易于實現高精度調節被廣泛使用，套筒閥的發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，不平衡力大而設計的一種結構，使用較廣泛。軸流型調節閥吸取了它的優點，延用了此結構。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節特性，關鍵是將原大型孔口用幾組按一定規律排列的小孔代替（如圖4）。或設計成一組多層節流套筒組合的形式，使介質分段降壓，并使聲波在進入小孔之前就相互撞擊，消耗能量。在設計套筒上孔的數量及孔的大小以及孔的排列方式上按小孔節流理論，根據設計壓差計算流速，使流束在套筒中間能夠互相碰撞，達到消耗聲能的目的。
5.2 線性特性及等百分比式套筒
線性特性套筒是根據線形流量特性的要求，將套筒窗口的形狀數量按所設計閥流通能力的大小，將節流口按行程變化要求經過理論與實驗修正得出的。即根據調節閥的相對流量與閥芯的相對位移成直線關系（即單位位移變化所引起的流量變化是常數），即
式中 Q— 實際流量，m3/s
Qmax— 最大流量，m3/s
l — 實際位移，m
L— 套筒長度，m
等百分比式套筒是根據等百分比式調節理論得出的，指閥桿的單位相對位移變化所引起的相對流量變化與該點的相對流量成正比。即
5.3 低壓降比式套筒
低壓降比式調節閥的套筒結構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現。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。設計低壓降比式調節閥應按以下步驟進行。
① 分析套筒開窗面積的相對值和絕對值的分布情況。
② 分析y=f（l）的關系，即隨著l 值的變化y值的變化，y值和相對行程h、壓降比s、總面積S有關，是比較復雜的數學關系。在得到其函數關系后，可以得到邊界值y1和y3。
③ 計算開窗總面積，即閥的流通總面積，可按照流體力學的公式來計算。
④ 選擇套筒開窗結構，套筒的開窗數通常取偶數，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。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生的噪聲和振動。
普通套筒閥的套筒開窗面積是按固有流量特性設計的，它與低壓降比式調節閥套筒的開窗面積的分布是不相同的。圖6是對同一尺寸的兩種套筒的開窗面積的對比。從圖中可以看出，在兩種套筒閥的開窗面積相同時，其形狀是不同的，也就是說，隨著行程變化所對應的面積完全不同，這就使它們的固有特性與工作特性完全不同。
6 結語
軸流型調節閥加工較復雜，但流阻低，流通能力強，靈敏度高，驅動力小，性能可靠，適用于脈動壓力及大口徑工況中。
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