孔板式调节阀原理及阀门整体设计计算
摘 要：孔板式系列调节阀门是我公司参照美国Masoneilan公司阀门的先进技术，经过消化、吸收而研制开发的-种新型调节式阀门。其技术已达到国际先进水平，具有较高的技术含量 ，是一种比较先进的调节式阀门。
关键词：孔板式；阀杆；芯包；孔板片；流量
中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0055-03
孔板式阀门的先进技术，可成功地解决普通控制阀门所遇到的诸如汽蚀、高噪音、震动等问题，目前同样广泛运用在电厂锅炉I、Ⅱ级减温水、给水泵最小流量阀、锅炉主给水门以及其他流量控制中。它能提供比较精确的流量控制，按照用户的不同需要，可设计成不同的流量特性，具有严谨的关闭特性，能保证工厂安全、稳定地运行，提高效率并延长维修周期。
孔板式系列调节阀门是专门针对客户的不同要求而设计的，通过对介质流速的控制而彻底消除了汽蚀、噪音、腐蚀及振动问题，维修方方便，可很便捷地更换阀芯。
孔板式系列调节阀门的阀芯具有长久的使用寿命。当然要得到很好的使用寿命的关键在于正确的安装及在使用中的适当维护。
1 原理
孔板式系列调节阀门的抗汽蚀设计是利用孔板式芯包多级降压的原理，通过强制介质流经芯包孔板上的许多小孔通道使流速得到完全的控制，达到逐级降压的目的。无论压降大小，这些小孔的阻力使得介质流速流出芯包的速度收到限制。经过多级降压，使介质的压力始终维持在介质的汽化压力PV之上，从而避免了气蚀现象，消除了不安全因素，如图1所示。
孔板式芯包包括很多孔板片，经过机加工形成许多小孔通道，每个通道能通过定量介质。介质流过小孔时产生很大的阻力，产生压降。
根据电厂各种机组不同的参数，经过精确的计算，选定不同孔板片数和孔板片上不同的小空数以及小孔的不同直径，使得流经孔板式芯包的介质压降达到电厂不同场合的需要。并且能使每一级压降始终保持在汽化压力之上，从而达到抗汽蚀的要求。
孔板式系列阀门使用机加工技术制造孔板片，孔板片再用焊接的方法组合为整体芯包（图2）。
由于每一片孔板片的小孔数及小孔直径都是根据用户提供的参数进行设计，而且孔板片的厚度可以设计得很薄，所以芯包就可以根据用户的特殊要求设计以提供精准的流量控制。根据阀门的应用场合及用户的要求，调节阀的流量特性曲线可被设计为不同形式，包括线性、等百分比、修正等百分比以及其他特殊曲线。
在电厂中的介质基本上都是流体介质（主要是水），因此孔板式阀门一般采用流开型结构。当采用流开型时，介质首先进人阀体，通过阀座、阀芯，经过芯包、导流罩，最后由阀体流出（图3）。 阀门流向由标在阀体上的标牌所指示。
2 结构特点
孔板式系列调节阀门由下列几个主要组件构成：阀体、包括孔板式芯包在内的内件、导流罩、阀盖组件、阀芯、阀座组件。执行机构用螺牷通过联接支架固定在阀盖上。
孔板式系列阀门的所有零件具有快速更换和长寿命特性。阀座不采用螺栓或焊接，拆卸方便。阀盖的密封形式、内部组件的类型及密封的选择都符合应用场合及工况条件要求。阀盖及阀体之间的密封采用金属缠绕垫，它由多层不锈钢及石墨制成。膨胀石墨具有很好的密封性能。不锈钢支撑石墨并提供温度变化所需的弹力。
2.1 阀芯组件及阀芯密封设计
平衡式阀芯：平衡式阀芯可减少对执行器执行力要求，在阀芯上钻有对称孔。在阀芯上部装有开口向上的平衡密封圈用来隔离出口与入口之间的压力。在阀芯上的对称孔平衡了阀芯上下的压力，使得对提升力要求大大降低。从而可降低执行机构的转矩，减少执行机构的体积和重量。
在中、低温工况中，平衡密封圈由填充聚四氟乙烯制成。在高温工况下，使用石墨材料。
2.2 变阻特性
孔板式系列阀门在小开度的憎况下，由于介质需流经整个芯包，因此能达到高压降、小流量的要求而不会产生汽蚀。随着阀门开度的增加，介质流经孔板片的数目逐渐减少，此时阻力也逐步减少，如果阀门开度超过芯包的髙度后，介质就完全从导流罩流过，阻力可以非常小，因此可达到大流量的要求，从而减少给水泵的能量的消耗。
2.3 低噪音特性
孔板式系列調节阀由多个节流孔板片按一定的设计规则相互交错方式排列叠合而成，介质从节流孔板的下部向上流动，由于多个孔板的分段降压，防止了汽蚀的发生，另一方面，节流孔板本身就是一个绝好的消音器，因此孔板式调节阀门具有低噪音的特性。
概括孔板式调节阀门有如下特点：
（1）低嘈声、抗汽蚀、可承受高压差；
（2）多层孔板片逐级降压，限制介质流速， 保持介质压力始终在汽化压力之上；
（3）变阻特性：介质轴向流动，阀门开度增大，节流阻力降低；
（4）节流孔板交错排列，无调节死区；
（5）平衡阀芯，可减少执行机构的驱动力矩；
（6）阀芯、阀座采用不同的角度，线接触密封，关闭性能好；
（7）密封面堆焊硬质合金，耐冲烛性好；
（8）导流罩避免介质对阀体的冲刷；
（9）流量特性：线性、等百分比、用户要求。
3 用途
孔板式系列阀门可根据用户的不同要求设计不同的特性曲线。它可提供等百分比、修正等百分比以及用户特殊需要的特性曲线。运用于电厂的主给水调节阀、旁路阀、再循环阀、减温水调节阀、锅炉连续排污阀以及其余高压差流量调节场合。
当运用于给水调节阀及减温水调节阀时，在小开度时具有高压降、小流量的特性，可防止汽蚀的产生，在需要大流量、低压降的工况下，介质直接从导流罩流过而不经过孔板式芯包。当运用于再循环阀场合时，由于阀门前后压差极高，因此介质必须从孔板式芯包流过，以达到高压降的目的。流量特性曲线如图4。
4 TL967Y（K）- 25/50型孔板式再循环阀门整体设计计算
4.1 具体要求
运用于电厂125MW机组及以下锅炉给水泵再循环系统，能承受较大压差。
4.2 技术参数
公称压力：25Mpa；
公称通经：50mm；
进口压力：-18Mpa；
出口压力：0.61Mpa；
工作温度：≤240℃；
流量系数：1020（英制）
工作介质：锅炉给水；
特性曲线：线性或其它；
执行机构：电动或气动；
阀门启闭全行程：56mm；
进、出口连接形式：法兰连接或对口缝焊接。
4.3 阀门整体结构设计
4.3.1 阀门结构设计
（1）阀门的流道采用直角式（下进上出），见图5。
（2）阀门本体的进出口管径为50mm。
（3）阀体采用25号钢。
4.3.2 阀体壁厚计算
照厚壁容器公式计算如式（1）所示。
（阀门设计手册P359公式4-4）
S=（KO-1）+C （1）
式中C-附加裕量；
KO-阀体与内径之比，按式（2）计算。
KO= （2）
阀体采用25号钢，查表计算得：
KO=1.3代入公式（1）得：
S=24.5mm取阀体壁厚S=30 mm
4.3.3 阀盖设计
参照平板阀盖计算公式（阀门设计手册P391公式4-59）如式（3）所。
δP=DC （3）
通过计算得：
δP≈53.7mm
取阀盖厚度δP=60mm
4.3.4 阀盖螺栓设计
受压直径Φ130mm，螺栓只数n=8材料选用35CrMo高强度合金钢作用在每个螺栓上的负荷Pn由阀门设计手册P379公式4-32如式（4）所示。
Pn= （4）
式中df-受压面积；
m-垫片系数；
A-通道截面积
得Pn≈82260N
螺栓材料采用35CrMo钢，其[σ]=220Mpa，由公式（4）≤得出螺栓直径d≥22mm，选用M242螺栓8只，布置见图6。
4.3.5 阀杆直径设计计算
（1）阀杆直径D假设D=18mm；
（2）环状密封圈采用膨胀石墨密封圈Φ34Φ188；
其摩擦系数μs=0.15，ds=34mm。
先求电动执行机构所需最大输出力F=F1+F2
F1为μd不平衡力+μp阀杆部分摩擦力；
F2为完全关闭的执行机构对阀座的压紧力。
μd=π·ds·L·p·μs=21971N
μp=16001N
F1=μd+μp=37972N
F2=π·dg·bm·p=3847N
∴F=41819N
阀体材料选用1Cr17Ni2
σb=1080 Mpa
ηb=4.25
fc=1080/4.25=254.1 Mpa
d≤=14.5cm<18mm
故阀杆采用直径18mm设计合理。
4.3.6 调节段和减压段孔板的设计计算
节流孔板共计12片，即12层；16层为流量调节段，712层为减压段。
（1）流量公式的建立。
流量公式如式（5）所示。
Q=μ·F·ν=μ·F· （5）
μ=0.60.8（取0.8）；180℃水的γ值≈0.9（现假定常温水≈1）
计算出Q=0.04032·F· （6）
（2）再循环流量。
根据125MW机组再循环流量一般为120t/h，先求减压段总面积F值，如式（7）。
Q再=0.04032ΣF× （7）
ΔP=17.4Mpa
计算出ΣF应为224mm2
根据计算出的减压段总面积，绘制减压段孔板片图纸（如图7）。
校核减压段总面积F值如式（8）。
（8）
ΣF=269.2mm2满足要求
（3）调节段流量计算
Q1-12=0.04032ΣF1×=24.7t/h
Q2-12=0.04032ΣF2×=42.9t/h
Q3-12=0.04032ΣF3×=71t/h
Q4-12=0.04032ΣF4×=94.3t/h
Q5-12=0.04032ΣF5×=116t/h
Q6-12=0.04032ΣF6×=131.7t/h
Q7-12=0.04032ΣF7×=144.3t/h
4.3.7 流量系数Cv值的计算
Cv如式（9）所示。
Cv=1.17×Q再×≈13 （9）
4.3.8 电动执行机构操作轉矩计算
操作转矩计算如式（10）所示。
操作转矩=ΣF阀杆系数 （10）
Tr3212（P6）LH阀杆系数査表（DZ系列阀门设计手册P16）得以下数值。
阀杆系数=0.00308；
即操作转矩=128.8N ·m。
参考文献
[1]杨源泉.阀门设计手册[D].机械工业出版社，1992.
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