高壓減壓閥的結構設計與應用

玉石 張順義 程元華

摘 要：高壓減壓閥的結構是否合理，一定程度上決定著器械的使用性能。基于此，本文首先簡要介紹了高壓減壓閥的原理，分析了器械的功能特點。其次，主要從結構參數、結構功能兩方面出發，歸納了高壓減壓閥的結構設計方法。并以某水電站為例，闡述了高壓減壓閥的應用方式，分析了應用問題，歸納了性能的優化方法。通過對優化效果的觀察，證實了結構優化設計方案的應用價值。

關鍵詞：高壓減壓閥;結構設計;節流錐

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0034-02

1 高壓減壓閥的原理及工作特點

1.1 高壓減壓閥的原理

高壓減壓閥為用于調節出口壓力的儀器，可借助介質（如：氣體、液體）本身的能量，對管道出口處的壓力進行控制。就流體力學而言，減壓閥為節流元件的一種，其局部阻力可發生變化，對節流面積進行調整，使流體動能得以增強。應用高壓減壓閥后，介質及管道內部可發生壓力損失，減壓的目的由此達成[1]。單獨就水利系統而言，高壓減壓閥所控制的最大流量，應控制為20%～80%，如此及方可獲得最佳的流量特性。氣動調節閥為高壓減壓閥的主要組成部分，功能在于穩定氣源壓力，以利用氣源動力實現對壓力的調節。

1.2 高壓減壓閥的工作特點

高壓減壓閥的工作特點，主要體現在“可靠性強”、“調節方便”、“節能性強”、“壽命長”四方面，具體如下：（1）可靠性強：將高壓減壓閥應用到各介質的管道中，可有效實現減壓，且效果可靠。應用該器械的管道，出口壓力受進口壓力以及流量的影響較小，管道內介質的動壓、靜壓均可有效減少，使管道的出口壓力維持穩定[2]。（2）調節方便：高壓減壓閥的應用，同樣具有調節方便的優勢。應用器械的過程中，有關人員僅需調節先導閥的螺釘，便可實現對管道出口壓力的控制，極其快捷。（3）節能性強：高壓減壓閥閥體的設計模式，以全通道流線型直流式設計為主，應用閥門控制管道出口壓力的過程中，壓力損失較小，節能性強。（4）壽命長：高壓減壓閥，具有使用壽命長的特點。該器械體積較小，重量較輕，且重要零件均采用特殊材料制成，無需大量維護，便可正常運行。

2 高壓減壓閥的結構設計方法

2.1 結構參數設計

2.1.1 彈簧最大直徑設計

高壓減壓閥含有彈簧，彈簧的參數是否能夠符合需求，是決定高壓減壓閥應用效果的主要因素。為增強其工作性能，應對結構參數進行設計[3]。假設彈簧的許用應力為φ，旋繞比為5～8，彈簧絲的切應力應采用以下公式計算：

Φ=8F2D2K/πd3=8F2KC/πd2≤φ

上述公式中，d代表彈簧直徑（最大值），F代表工作負荷，D代表彈簧中徑。采用上述公式計算后可發現，如彈簧直徑d為未知數，則可采用以下公式，對直徑進行評估：

D≥（1.6F2KC/φ）1/2

2.1.2 彈簧剛度及有效圈數

除直徑外，彈簧的剛度、有效圈數量，同樣為影響其性能的主要因素。對此，建議有關人員仍采用公式，對以上兩項指標進行計算。彈簧剛度，應采用以下公式計算：

K=（GD2/8C4n）N/M

上述公式中，K代表剛度，G代表切變模量。將上述各項公式應用到計算的過程中，便可明確彈簧的剛度數據。彈簧的有效圈數，指當處于最大負荷下時，維持出口壓力所需要的彈簧的有效圈數，具體計算公式如下：

N=[GD2（f2+f0）]/8F2C4

上述公式中，N代表彈簧的有效圈數。經計算后，便可明確高壓減壓閥參數。

2.2 結構功能設計

高壓減壓閥中，含有空壓機部件。減壓閥運行的過程中，空壓機可對氣體進行壓縮，使其壓力處于3～5MPa范圍內，形成高壓空氣。經過壓縮的空氣，可通過閥門的進氣口，進入至閥體內部，并經錐型通道節流減壓后，進入閥體的氣腔之中。此時，氣體可自排氣孔排除，并進入空壓機的調節裝置。上述過程中，高壓減壓閥的各閥門，可被高壓氣體所帶動，使運動狀態發生改變，從而使氣腔中的壓力得以減小。為提高氣壓的穩定性，有關人員可通過高壓減壓閥的手柄，對其排出氣體的壓力進行控制，使其處于一定范圍內，避免排出壓力受進氣壓力的影響而發生改變，使高壓減壓閥的應用性能得以改善。為避免高壓減壓閥的內部裝置被高壓氣體所破壞，應將膜片置入閥體內部，并設置相應的卸荷孔，使高壓氣體可通過卸荷孔釋放，使結構應用的安全性得以提升。

3 高壓減壓閥的應用

3.1 水電站概況

高壓減壓閥在各水電站中均有所應用，可有效調節出水壓力，使水電站供水的安全性得以提升。故本部分以某水電站為例，對高壓減壓閥的應用問題進行了分析。本文所選水電站，裝機容量為2×6300kW，為引水式電站。水電站供水的過程中，需采用自動減壓的方式對液體壓力進行調節，且可通過水泵實現供水。水電站單機組供水時，流量為450m3/h，測量發現，此時的水頭為260～240m。采用水泵供水，雖可達到提高供水穩定性的目的，但難以保證供水的連續性。導致上述缺陷存在的原因，與水泵故障發生率高有關。因此，本水電站決定通過自動減壓供水的方式實現供水。為使自動減壓供水得以實現，應用高壓減壓閥是關鍵。

3.2 減壓系統構成及工作狀況

3.2.1 減壓系統構成

本水電站減壓系統，主要由取水閥、工作閥、減壓閥三部分構成。上述閥門中，高壓減壓閥的型號為ZJY46H-40CDN150。減壓系統運行過程中，出水的壓力應控制在0.6MPa左右。進入減壓閥的水，可流入至水池之中。本水電站水池，可供兩臺機組用水。當水流入水池中后，調節閥門可對過流面積進行調節，使其達到穩定、合理的水平。本水電站對高壓減壓閥性能進行調節前，單臺高壓減壓閥的流量，如需滿足機組運行，噪音可達到118dB。除噪音外，高壓減壓閥使用壽命短的問題，在本水電站中同樣顯著存在。明確導致該問題出現的原因，并對高壓減壓閥的性能進行優化，是解決問題的關鍵。

3.2.2 系統工作狀況

通過對自流減壓供水系統工作狀況的觀察發現，本水電站所使用的高壓減壓閥，共包括2臺，為二級減壓。減壓閥投入使用1年后，均發生損壞，難以繼續投入使用。為滿足減壓需求，水電站將減壓閥更換為了ZJY45H型組合式器械，通過一級減壓的方式，達到了穩定出水壓力的目的。減壓閥使用2年后，噪聲有所提高，但性能仍良好，節流錐雖可見氣蝕，但仍能夠使用。因本水電站生態環境差，水中所含石英砂較多，當水流速度較快時，氣蝕問題極容易產生。加之石英砂所帶來的磨損，減壓閥運行環境較為惡劣。如未對其進行改進，使用壽命將顯著縮短。可見，為增強高壓減壓閥的性能，延長其使用壽命，對其結構進行優化設計較為重要。

3.3 高壓減壓閥的應用試驗

3.3.1 試驗過程與結果

為明確高壓減壓閥應用過程中存在的問題，本水電站通過實驗的方式，對其應用狀況進行了分析。當減壓閥主閥全開程為28mm、調節桿預壓高度為89mm時。如出口閥開度減小，出口壓力雖有所變化，但幅度較小，對機組運行狀態的影響可忽略不計。此時，通過對水流噪聲的測量可以發現，水流噪聲顯著降低。此外，本水電站通過觀察，同樣發現了以下問題：（1）將出口壓力調高后，水流噪聲可有所降低，降低數值為6～7dB。（2）當出口閥的開度發生改變后，水流噪聲的降低幅度可達到30dB左右。（3）將出水的壓力自0.6MPa升高為0.7MPa后，出口閥的機組可有效運行。

3.3.2 綜合分析

高壓減壓閥的應用試驗完成后，本水電站工作人員對其應用狀況進行了綜合分析，結果顯示：（1）將節流錐應用到高壓減壓閥中，可有效降低水流噪聲，表明，節流錐具有一定的應用價值。（2）節流錐應用性能具有穩定性，發生故障的風險小，使用壽命值得肯定，表明，節流錐具有一定的應用可行性。（3）應用節流錐的同時，將調節桿納入至減壓系統中，同樣可達到降低水流噪聲的目的。實踐經驗顯示，減壓閥水流噪聲產生的根源，為水流通過節流錐時所產生的渦流。而渦流的大小，則取決于水的流速、流道、節流錐形狀等因素。研究發現，高壓減壓閥內，水的流速與節流錐的開度，存在一定的關聯。可見，從改變節流錐形態的角度入手，對高壓減壓閥結構進行優化設計，可有效解決現有的問題。

3.4 高壓減壓閥問題的解決

為使高壓減壓閥結構不合理的問題得到解決，本水電站將CFD軟件應用到了節流錐的設計過程中。本水電站所應用的高壓減壓閥，需通過調節閥芯開度的方式，使閥芯與閥座之間形成環形通道，從而實現減壓。受水流沖擊的影響，用于減壓的閥芯，將消耗部分能量，導致該部分的水流速度加大，致使壓力出現變化。獲取高壓減壓閥的運行參數發現，本水電站的該器械，直徑為450mm，壓力為2.5MPa，流量為1600m3/h。經過計算發現，工況穩定狀態下，當進口壓力一定時，對應的高壓減壓閥開度H同樣確定。經計算發現，當減壓閥開度H為45mm、35mm、29mm、28mm以及27mm時，出口壓力各不一致，H為28mm時，出口壓力可滿足系統的運行標準（0.6MPa），因此，建議將出口開度控制為28m。

3.5 高壓減壓閥結構的優化及效果

為增強高壓減壓閥的性能，本文對減壓閥的節流錐進行了優化，旨在預防空化問題，使噪聲得以下降，改善減壓系統的運行效果。實踐經驗顯示，空化的問題，一般發生于減壓閥閥芯斷面靠近上表面的位置。導致上述現象出現的原因，與該部位水流速度的急劇改變有關。將端面與上表面之間的過渡面，改為曲面形結構，可有效增強曲率。此時，水流流道的光滑性將明顯提升，噪聲以及空化的問題，也將得到解決。為評估高壓減壓閥結構的優化設計效果，本水電站通過試驗的方式，對改進后的高壓減壓閥性能進行了評價。結果顯示，改進后，減壓閥的氣泡最大體積分數自0.571降低到了0.210，降低幅度高達60%以上，水流噪聲同樣有所減小，表明，該結構優化方案的應用，取得了良好的效果。

4 結語

綜上所述，本文對高壓減壓閥的結構設計與應用問題的研究，優化了高壓減壓閥的結構及性能，有助于全面改善其使用效果，延長其使用壽命。未來，建議以水電站為代表的各領域，主動對高壓減壓閥進行應用，并根據生產需求，分析減壓閥應用過程中存在的問題，對減壓閥的結構以及參數進行調整，全面提高生產效率，提高生產及運行的安全性。

參考文獻

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[3] 劉文彩，許勇.自來水減壓閥結構分析與優化設計[J].液壓氣動與密封，2018，38（09）：20-25.