抗氣蝕串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥設(shè)計(jì)研究

耿圣陶 ，徐 滟 ，明 友 ，陳鳳官 ，王 渭 ，余宏兵 ，郝偉沙 ，葉曉節(jié)

（1.合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，合肥 230088；2.合肥學(xué)院，合肥 230601；3.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

高壓差惡劣工況下，普通單座控制閥使用壽命很短，閃蒸和空化引起的氣蝕是主要原因。對(duì)此，串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥通過(guò)將高壓差分解為多個(gè)較小壓差，逐次分步減壓，有效抑制氣蝕破壞，提高使用壽命，并減少噪聲和振動(dòng)?？箽馕g串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要為兩方面：一是閥內(nèi)介質(zhì)壓力合理分配，二是各級(jí)節(jié)流額定節(jié)流面積的確定。對(duì)于閥內(nèi)介質(zhì)壓力分配，裘葉琴給出各級(jí)節(jié)流壓降逐級(jí)減半的分配方法［1］，不僅缺少理論依據(jù)，而且也沒(méi)有給出各級(jí)壓降分配與各級(jí)節(jié)流額定節(jié)流面積分配之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，造成后續(xù)多級(jí)節(jié)流閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算困難。而對(duì)于串聯(lián)各級(jí)節(jié)流額定節(jié)流面積的確定，較少見(jiàn)到公開(kāi)發(fā)表的定量研究文獻(xiàn)。

1 典型結(jié)構(gòu)特征

串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥流體連續(xù)流過(guò)若干彎曲流道，通過(guò)流體連續(xù)扭曲、同時(shí)反復(fù)壓縮膨脹來(lái)耗散能量，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)多級(jí)節(jié)流內(nèi)件的減壓降速效果，即分步逐級(jí)減壓，讓每級(jí)減壓壓力高于蒸汽飽和壓力，有效抑制氣蝕和高速流體沖刷，同時(shí)減少振動(dòng)和噪聲。閥內(nèi)件為金屬硬密封結(jié)構(gòu)，保留了相對(duì)寬大的曲折流道， 結(jié)合多級(jí)閥芯與消能室內(nèi)壁多級(jí)肋板之間的剪切作用，適用于高壓差、高溫以及含固流體工況中［2-3］。

按閥芯結(jié)構(gòu)可分為不平衡型和平衡型。圖1示出不平衡型，多級(jí)閥芯受介質(zhì)不平衡力作用，在克服高壓差時(shí)需要較大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力。圖2示出平衡型，多級(jí)閥芯上開(kāi)有平衡孔，利用平衡密封環(huán)阻止閥芯平衡孔內(nèi)介質(zhì)內(nèi)漏。多級(jí)閥芯上下所受介質(zhì)壓力相同，閥芯動(dòng)作時(shí)只需克服作用在較小閥桿橫截面上的介質(zhì)不平衡力，以及摩擦力，因此只需配較小輸出力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就能滿足高壓差工況的要求［4-7］。

圖1 不平衡型串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥

圖2 平衡型串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥

2 閥內(nèi)介質(zhì)壓力分配方法

2.1 壓力分配與額定節(jié)流面積分配關(guān)系

控制閥節(jié)流原理與孔板節(jié)流原理類似［8-9］，以GB/T 2624.2-2006中法蘭取壓口孔板差壓裝置為基本單元［10］，建立串聯(lián)多級(jí)孔板模型，即將串聯(lián)多級(jí)閥內(nèi)件，看作是多個(gè)孔板串聯(lián)，各孔板喉徑分別等于閥內(nèi)件各級(jí)額定節(jié)流面積對(duì)應(yīng)的當(dāng)量直徑值，各孔板對(duì)應(yīng)上下游管道內(nèi)徑相同，其與控制閥連接管道內(nèi)徑相等，通過(guò)各孔板的流體質(zhì)量流量相等。按標(biāo)準(zhǔn)中的基本式（1），經(jīng)計(jì)算推導(dǎo)，可獲得串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥各級(jí)節(jié)流處壓降占比和各級(jí)額定節(jié)流面比之間的近似對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算過(guò)程不再贅述，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

式中 qm——質(zhì)量流量，kg/s；

C ——流出系數(shù)；

ε ——可膨脹性系數(shù)；

d ——孔板喉部直徑，m；

Δp ——壓差，Pa；

ρ1——流體密度，kg/m3；

β —— 直徑比，m，β =d/D；

D ——工作條件下上游管道內(nèi)徑，m。

表1 閥內(nèi)介質(zhì)壓力分配方法

2.2 閥內(nèi)各級(jí)節(jié)流處壓降分配抗氣蝕驗(yàn)算

節(jié)流縮流斷面處的介質(zhì)壓力不小于介質(zhì)在進(jìn)口溫度下的飽和蒸汽壓，從而防止氣蝕的產(chǎn)生。當(dāng) ΔP ＞ ΔPC，P2＞ PV，P2為閥門出口壓力，若不采用降壓措施將產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象［2-3］。在串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥設(shè)計(jì)使用時(shí)，應(yīng)對(duì)分配后的閥內(nèi)介質(zhì)壓力進(jìn)行驗(yàn)算，即用每一級(jí)節(jié)流的實(shí)際壓降ΔPi與產(chǎn)生阻塞流時(shí)的壓降ΔPiC進(jìn)行比較，驗(yàn)算是否存在氣蝕［1］。當(dāng) ΔPi≤ ΔPiC時(shí)（i=1，2，3…n），即可完全抑制汽蝕的產(chǎn)生，即串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥的每一級(jí)節(jié)流的實(shí)際壓差ΔPi均應(yīng)小于產(chǎn)生阻塞流時(shí)的壓差ΔPiC。

式中 ΔPC——節(jié)流處產(chǎn)生阻塞流時(shí)的壓差，MPa；

FL——液體壓力恢復(fù)系數(shù)；

P1——節(jié)流處進(jìn)口介質(zhì)壓力，MPa（a）；

FF——液體臨界壓力比系數(shù)。

式中 PV—— 入口溫度下液體蒸汽的絕對(duì)壓力，MPa（a）；

PC——絕對(duì)熱力學(xué)臨界壓力，MPa（a）。

3 額定節(jié)流面積的確定方法

根據(jù)閥門工藝數(shù)據(jù)，選取閥門額定流量系數(shù)，按照閥內(nèi)介質(zhì)壓力分配結(jié)果，結(jié)合式（4）～（7），即可反推出串聯(lián)多級(jí)閥內(nèi)件各級(jí)節(jié)流處所需的額定節(jié)流面積［8，11，12］。

式中 CVS——閥門額定流量系數(shù)；

CVb——閥體流量系數(shù)；

CV0——閥芯密封面處額定流量系數(shù)；

CVi—— 第 i（i=1，2，3，…，n）級(jí)節(jié)流額定流量系數(shù)。

式中 D ——閥門連接管道內(nèi)徑，cm。

式中 A ——閥門連接管道內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的面積，cm2；

Ars0—— 閥芯密封面額定的節(jié)流面積，cm2（i=0）；

Arsi—— 第 i（i=1，2，3，…，n）級(jí)節(jié)流額定節(jié)流面積，cm2。

式中 Q ——介質(zhì)體積流量，m3/h；

N ——數(shù)字常數(shù)；

ΔPi—— 第 i級(jí)節(jié)流進(jìn)出口壓差，MPa；i=1，2，3，…，n；

Gf——液體比重。

4 氣蝕工況設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 閥門工藝及規(guī)格數(shù)據(jù)

表2 閥門工藝及規(guī)格數(shù)據(jù)

4.2 閥內(nèi)介質(zhì)壓力分配

4.2.1 按各級(jí)節(jié)流壓降逐級(jí)減半方法

聯(lián)立式（2），（3），（8），閥內(nèi)介質(zhì)壓力分配的計(jì)算數(shù)據(jù)和驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 按各級(jí)節(jié)流壓降逐級(jí)減半方法（傳統(tǒng)方法）計(jì)算數(shù)據(jù) MPa

4.2.2 按表1閥內(nèi)介質(zhì)壓力分配方法

聯(lián)立式（2）和（3），結(jié)合表1中壓力分配方法，閥內(nèi)介質(zhì)壓力分配的計(jì)算數(shù)據(jù)和驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 按表1閥內(nèi)介質(zhì)壓力分配方法（本文提出方法）計(jì)算數(shù)據(jù) MPa

4.2.3 各級(jí)節(jié)流處介質(zhì)壓降確定

分析、對(duì)比表3，表4中上述兩種壓力分配方法的抗氣蝕驗(yàn)算結(jié)果，可知串聯(lián)3級(jí)節(jié)流不能完全抑制氣蝕產(chǎn)生，而對(duì)于串聯(lián)4級(jí)節(jié)流，按傳統(tǒng)壓力分配方法，第4級(jí)仍有氣蝕產(chǎn)生，按本文提出的壓力分配方法，則能完全抑制氣蝕的產(chǎn)生。因此，對(duì)于該氣蝕工況，節(jié)流面積按1：1：2：4的串聯(lián)四級(jí)節(jié)流控制閥可以有效抑制氣蝕的產(chǎn)生，且各級(jí)節(jié)流處壓降分別為 3.289，3.289，0.841，0.229 MPa。

4.3 各級(jí)節(jié)流額定節(jié)流面積確定

聯(lián)立公式（4）～（7），結(jié)合上節(jié)確定的各級(jí)節(jié)流處的壓降，及上表2中閥門額定流量系數(shù)值，經(jīng)計(jì)算推導(dǎo)，可得適合該典型氣蝕工況的抗氣蝕串聯(lián)四級(jí)節(jié)流控制閥，其各級(jí)節(jié)流額定節(jié)流面積分別為 22.65，22.65，45.30，90.60 cm2。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥閥內(nèi)介質(zhì)壓力分配方法，可以有效抑制氣蝕產(chǎn)生。而且，相對(duì)于傳統(tǒng)各級(jí)節(jié)流壓降逐級(jí)減半的方法，可以用較少的節(jié)流級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣蝕的完全抑制，其抗氣蝕效果更好。同時(shí)，結(jié)合本文提出的額定節(jié)流面積確定方法，可以方便精確地計(jì)算出各級(jí)節(jié)流的額定節(jié)流面積，完成對(duì)控制閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)。研究結(jié)果為抗氣蝕串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥設(shè)計(jì)及相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)提供了一定的參考。