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調節閥基本特性
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調節閥又稱控制閥,它是按照控制信號的方向和大小,通過改變閥芯行程來改變閥的阻力系數,達到調節流量的目的。

流量調節閥與不是全開就是全閉的斷流閥不同,它可能有無數個工作位置。調節閥的節流作用與斷流閥的斷流作用在要求上是完全不同的。雖然調節閥可能有附加的斷流要求,但因為在許多調節閥結構中控制時主要目的,而斷流作用式次要的,所以調節閥并沒有良好的斷流特性。因此,一般的作法是在一個系統中既裝上斷流閥,也裝上調節,保留各自不同的作用。

2.1調節閥的主要類型

根據不同的使用要求,調節閥有:直通雙座調節閥、直通單座調節閥、低溫調節閥、三通調節閥、小流量調節閥、套筒調節閥、波紋管密封調節閥、角形調節閥、高壓調節閥、隔膜調節閥、偏心調節閥、閥體分離調節閥和蝶閥等。下面以直通單座調節閥為例,介紹調節閥的基本結構。

圖2-1表示一個常用的直通單座閥。它是由上閥蓋、下閥蓋、閥體、閥座、閥芯、閥桿、填料和壓板等零件組成的。閥芯和閥桿連接在一起,連接方法可用緊配合銷釘固定或螺紋連接銷釘固定。上、下閥蓋都裝有襯套,為閥芯移動起導向作用;由于上、下都有導向作用,所以稱為雙導向。閥蓋的斜孔連通它的內腔和閥后內腔,當閥芯移動時,閥蓋內腔電解質很容易通過斜孔流入閥后,不會影響閥芯的移動。

這種閥門的閥體內只有一個閥芯和一個閥座,特點是泄漏量小,易于保證關閉,甚至完全切斷,因此,結構上有調節型和切斷型,它們的區別在于閥芯形狀不同,前者為柱塞型,后者為平板型。它的另一個特點是介質對閥芯推力大,即不平衡力,特別是在高壓差、大口徑時更為嚴重,所以僅適用于低壓差場合,否則應該適當選用推力大的執行機構或配以閥門定位器。

閥有正裝和反裝兩種類型,當閥芯向下移動時,閥芯與閥座之間流通面積減小,稱為正裝;反之,稱為反裝。調節閥的公稱直徑DN和閥座直徑dN 標志著閥門規格的大小。

2.2調節閥的流量特性

在選用流量調節閥時,最重要的標準之一是它的流量特性。調節閥的流量特性取決于它固有的流量特性。固有的流量特性表示為在恒溫和閥門兩邊壓力降不變的情況下,通過閥門的流量與控制元件位置 (閥桿行程)的函數關系,即:

通常的流量特性有線性的、改進線性的、等百分比的以及平萬根 (快速開啟)的。這些特性曲線的比較見圖2-2

圖2-2調節閥流量特性的比較

(1) 線性流量特性

線性流量特性閥門的流量與閥門位置成線性變化。對于線性控制閥來說,表示流量與閥門開啟度間函數關系的一般方程是:

流量與閥門開啟度成線性特性的圖形,在直角坐標系上是一條直線。

(2)拋物線流量特性

拋物線流量特性是流量與控制元件位移的平方成正比。對于拋物線特性的控制閥來說表示流量與閥門開啟度函數關系的一般萬程是:

拋物線流量特性中流量變化率與閥門開啟度的比值為常數。當畫在對數?對數坐標紙上時,拋物線特性為一直線。拋曲線流量特性的一般數學表達式是:式中n是任意實數。

(3)改進的線性特性

有一種將拋物線特性與線性特性相結合的流量控制特性叫做改進的線性特性。這種改進的線性特性在閥門開啟度的前30%范圍內是一條拋物形的特性曲線,但在這以后,直到接近于流量的80%或90%的范圍內均是線性特性。從這里開始,直到全開位置,改進的線性特性類似于乎方根特性。

(4)等百分比流量特性

等百分比流量特性也叫做指數或對數特性,是當行程(開啟度)變化一個單位量時,流量變化的百分比相同的一種特性。這種形式的控制特性是在開啟度由10%變至70%時流量的變化為10%,而開啟度由60%變到70%時流量的變化同樣是10%。對于等百分比控制閥來說,表示流量與閥門開啟度間函數關系的一股方程是:

表示等百分比特性的流量與閥門開啟度的關系的圖形,當流量作為對數縱坐標劃在半對數坐標紙上是一條直線,而畫在直角坐標紙上是一條指數曲線。

(5)平方根(快速開啟)流量特性

平方根流量特性是流量與控制元件位移的平方根成正比的一種特性,表示流量與閥門開啟度間因數關系的一般方程是:

這種類型的特性通常叫做快速開啟特性。

2.3調節閥執行機構的選擇

為了使調節閥能正常工作,配用的執行機構要能產生足夠的輸出力來克服各種阻力,保證高度的密封或閥門的開啟。

對于所用的氣動、電液、電動執行機構,一般都沒有復位彈簧。作用力的大小與它的運動方向無關,因此,選擇執行機構的關鍵在于弄清最大的輸出力或電機大轉動力矩。

對于單作用氣動執行機構,輸出力與閥門開度有關,調節閥上出現的力也將影響運動特性,因此,要求在整個調節閥的開度范圍建立力平衡。如果執行機構的輸出力為F,它的力平衡方程式為:

其中主要是指作用在閥芯上的不平衡力和不平衡力矩。

(1)不平衡力和不平衡力矩

流體通過調節閥時,閥芯受到靜壓和動壓的作用,產生使閥芯上下移動的軸向力和閥芯旋轉的切向力。對于直線位移的調節閥來說,軸向力直接影響閥芯位移與執行機構信號力的關系,因此,閥芯所受到的軸向合力稱為不平衡力。對于角位移調節閥,如蝶閥、球閥、偏旋閥等,影響其角位移的是閥板軸受到的切向合力矩,稱之為不平力矩。

影響不平衡力和不平衡力矩的因素很多,例如,閥的結構類型、口徑、流體物理狀態等。如果工藝介質及調節閥都己確定,不平衡力和不平衡力矩主要與閥前后的壓差有關,也與流體與閥芯的相對流向有關。

流體流向不同時,閥芯所受的不平衡力并不一樣,圖2-3表示較大口徑的單座閥正裝閥芯在兩種不同流向下,壓差不變時不平衡力與位移行程之間的關系曲線。圖中假定使閥桿受壓的不平衡力為“十”,使閥桿受拉伸的不平衡力為“-”。圖中上面一種在流體流動時候使閥芯打開,稱為流開狀態。下面一種在流體流動時使閥芯關閉,稱為流閉狀態。

圖2-3的曲線表明:閥芯在全關位置時的不平衡Ft最大,隨著閥芯開啟而逐漸變小。

(2)調節閥的允許壓差

調節閥兩端的壓差增大時,其不平衡力或不平衡力矩也隨之增大。當執行機構的輸出力小于不平衡力時,它就不能在全行程范圍內實現輸入信號和閥芯位移的準確關系。由于對確定的執行機構,其最大輸出力時固定的,故調節閥應限制在一定的壓差范圍內工作。

2.4水擊現象

水擊現象:在有壓管道系統中,由于某一管路中的部件工作狀態的突然改變,就會引起管內液體流速的急劇變化,同時引起液體壓強大幅度波動,這種現象稱為水擊現象。

閥門急速開啟和關閉會引起水擊現象。因閥門急速關閉引起水擊而產生的水壓,隨閥門關閉速度而有所不同,但其數值高于千時水壓的幾倍到幾十倍,這樣高的壓力可使管段破裂或使彎曲管段脫出,對給水設施有很大的危害。

2.5調節閥內的汽蝕和閃蒸

在很多有水力機械的地萬,經??梢钥吹秸{節閥、減壓閥等節流閥的閥瓣和閥座等零件內部產生磨痕、深溝及凹坑,這些大多是由汽蝕和閃蒸吻,引起的。閃蒸是一種非??焖俚霓D變過程,當流動液體的下游壓力低于它的飽和壓力時就會出現閃蒸。而當閥門中液體的下游壓力又升回來,且高于飽和壓力時,就會產生氣蝕現象。在氣蝕過程中飽和氣泡不再存在,而是迅速爆破變回液態。

就調節閥而言,不論是氣蝕還是閃蒸都會造成以下既方便的損害:

(1)材質的損壞:氣泡破裂會產生極大的沖擊力,足以嚴重地沖擊損傷閥座、閥芯、閥體,尤其在高壓差的情況下,就連極硬的閥芯、閥座也只能使用很短的時間。

(2)振動:汽蝕和閃蒸還帶來閥芯的振動,這種振動包括垂直震動和水平振動,它們分別來自流體對閥芯的垂直撞擊與水平撞擊,其寄過造成機械磨損和破壞,調節閥控制不可靠,閥桿折斷。

(3)噪聲:噪聲一般來自三個方面:閥芯振動造成的噪聲;汽蝕造成的噪聲;高速氣體造成的氣體動力噪聲。


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