多级降压高压差调节阀设计多级降压高压差调节阀设计 吴 杰 高级工程师 无锡卓尔阀业有限公司 江苏 无锡 214011 1 概述 多级降压高压差调节阀适合于在极其苛刻的工况条件下对高温、 高压或高压差液体的精 确控制。该阀综合了普通式、多孔式和迷宫式低噪音调节阀的优点，能防止液体空化产生汽 蚀、减少高速流体对阀内件的冲刷、降低噪音；尤其适合于对含有杂质或固体颗粒流体的控 制。 流向 1.阀体 2.上阀盖 3.阀杆 4.垫圈 5.多级阀芯 1.阀杆 2.平衡密封环 3.多级阀芯 4.套筒 6.套筒 7.外套筒 8.垫圈 9. 阀座 5.外套筒 6.阀座 图一 (不平衡型) 图二 (平衡型) 2 结构原理 多级降压高压差调节阀按阀芯结构可分平衡型和不平衡型二种。 图一为不平衡型阀芯结构。 由于阀芯受不平衡力作用， 因此克服高压差时需要较大的执 行机构输出力。该阀内件为金属刚性结构，单个流体通道的流通截面积较大（见图三） ，且 多级阀芯每个台阶处的刃口与套筒上的窗口在阀关闭时有剪切作用， 故适合于对高温流体及 含有固体颗粒或结晶体介质的控制。 图二为平衡型阀芯结构。 多级阀芯上开有平衡孔， 利用平衡密封环阻止平衡孔内流体外 漏。阀芯上下受均压作用，阀芯动作时只需克服平衡密封环及填料等处的摩擦力，因此配较 小的执行机构就能承受很高的压差。 阀门工作时（图三） ，流体沿平行于多级阀芯及套筒轴线方向向上流动，通过多级阀芯 的台阶及平均排列在套筒上的矩形窗口多级节流， 使高压降沿阀芯轴线方向平均分布， 有效 控制了流体的速度，从而起到降低噪音、防止液体空化的作用。极大地提高了阀门在极其苛 刻工况条件下的使用寿命。 3.性能分析 多级降压高压差调节阀的公称压力为 ANSI 600Lb、900Lb、1500Lb、2500Lb，其流量 d(012%行程) 行程 窗口行程 12%100% 1.阀杆 2.多级阀芯 3.套筒 图三 阀门工作原理 图四 流量特性 特性如图四所示。在阀行程的 012%之间，流量近似为 0，而后流量直线上升，为标准直线 特性。这是考虑到阀门在启闭和小流量开度时，高压差全部集中在阀芯和阀座的密封面上， 高速流体会对密封面造成严重冲刷，甚至产生空化气蚀。为了保护阀内件不受损坏，提高阀 门的使用寿命，特设计 12%左右以下的行程为空行程（见图五） ，即阀芯和阀座开启行程低 于 12%时，套筒上的窗口并未打开， 当行程大于 12%时，套筒窗口才开始 降压节流，对流体进行精确、平稳地 控制。 4 材料选择 高压阀的材料选择主要考虑到强 度、接触硬度和热膨胀系数，阀内件 应抗冲刷、耐腐蚀，并防止在高温高 压下阀内件变形、咬死（表一） 。 图五 阀内件结构 名 称 材料选择及处理 阀 体 A105 35# 15CrMo 15CrMo SUSF304 SUSF316 多级阀芯 8Cr17/淬火热处理 SUS316/部分堆焊司太莱合金 阀 座 1Cr13/淬火热处理 SUS316/全部堆焊司太莱合金 套 筒 17-4PH/沉淀硬化热处理 SUS316 阀 杆 17-4PH/沉淀硬化热处理 或 SUS316/表面镀硬铬 表一 材料选择及处理 阀体材料宜采用锻件。 且粗加工后还必须经过超声波探伤检验。 阀门填料可使用碳纤维 聚四氟乙烯编织填料或带金属网填充柔性石墨等高强度填料。为防止高压流体经填料函外 泄，故填料必须压得很紧，这就加大了填料与阀杆的摩擦力，结果会导致阀杆磨损，并且填 料还可能会对阀杆表面造成点状侵蚀。 所以阀杆表面必须进行硬化处理， 以提高阀杆的寿命。 5. 设计及 Cv 计算 额定 Cv % 行程 % 出口 入口 t 多级降压高压差调节阀流向采用底进侧出。 通过多级阀芯和套筒来控制液体的压力、 流 量。由于液体为不可压缩性流体，因此设计多级阀芯和套筒窗口时，要求各级流道的流通截 面积相等。即： 设 A1为阀芯台阶环形流通截面积(mm2) A2为套筒窗口径向流通总截面积(mm2) A3为套筒窗口轴向流通总截面积(mm2) S 为阀行程(mm) (参见图三、图五) 则 A1(D12D02)4 A22W(LE) A34Wt A1A2A3 tS L2(S) + E 套筒上方 4-h 孔只起流通作用，而不作节流作用。为不影响套筒的流通能力，所以 4-h 孔的总流通截面积1.5 A1 套筒流通能力 Cvc 计算: CvcA1k(25.4) 2 (k 为套筒流通系数) 阀座流通能力 Cvb 计算： Cvbr2K(25.4) 2 (r 为阀座半径；K 是阀总流通系数 可取值 21) 阀的总流通能力 Cv 计算: 多级降压高压角阀也可用于气体、 蒸汽以及气液两相流的场合。 由于气体是可压缩性流 体，压力降低时体积急剧膨胀，因此进行流道设计时要将套筒窗口流通截面 a、b、c、d（见 图三）按一定的扩张系数逐级放大。 6. 强度校验 强度校验主要是阀杆的挠曲强度计算以及套筒的压应力校验。 阀杆的挠曲强度计算包括 阀杆的柔度l和材料的柔度lp，及阀杆的临界载荷 Per和许容载荷 PA等。 阀杆挠曲强度计算: 阀杆的柔度 （压杆长度系数 取1） 材料的柔度 （E 材料弹性模量） （sp 材料比例极限强度） 当llp时 采用欧拉公式： 阀杆的临界载荷 （A 阀杆横截面积） 阀杆的许容载荷 PAPerN （N 安全系数取 1.6） 若阀杆的许容载荷 PA 不能满足设计要求，则可通过更 改材料以提高强度。比如 SUS316 的屈服极限s=205 MPa 而采用 17-4PH沉淀硬化处理后其屈服极限s=863 MPa；如 果阀杆材料一定，而许容载荷 PA 不能满足设计要求，则可以 把阀杆设计成阶梯轴。 （图六 b）阀杆结构尺寸 l1应尽量短，以保证阀门行程为准，l2尽量22111CvbCvcCv +=dlml4=slpPpE=AEPer=22lpa 普通阀杆 b 阶梯阀杆 图六 阀杆 设计长，这样有利于提高阀杆的刚度。 套筒的压应力校验 (NMAX为套筒承受的最大轴向压力) NMAX可用下式估算： NMAX (D32D22) s8 s 材料的屈服极限，MPa 7结语 多级降压高压差调节阀设计结构独特、控制效果好、使用寿命长、 性能价格比高。主要应用于电站、石油、化工、化肥等行业。 此文发表于此文发表于 2001 年第年第 1 期期阀门阀门杂志杂志 参考文献 1 美 J.L.莱昂斯 阀门技术手册 机械工业出版社 1991 年 6 月 2 徐灏 机械设计手册 机械工业出版社 1991 年月 9 月 sMAX ANss8 . 04=图七 套筒