新型旋塞調節閥的可調比研究

耿圣陶，王 渭，明 友，陳鳳官，余宏兵，葉曉節

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

相對于傳統的直行程調節閥，旋轉調節閥具有諸多優點，如可調比高、流通能力大、重量輕、體積小、允許壓差大、防堵性好等[1]。目前市場上比較常見的旋轉調節閥主要有偏心旋轉調節閥、V 形旋轉調節閥、三角口旋塞調節閥等。偏心旋轉調節閥采用直通型閥體結構，結構新穎、流體阻力小，閥芯回轉軸線與旋轉軸不同軸，有效減小閥座磨損，延長使用壽命。閥芯后部設置有導流翼，有利于介質穩定流動，整機穩定性好，同時還具有流量大，可調范圍廣的優點，特別適用于含有淤漿的工藝系統控制[2]，如吳忠儀表生產的VFR 系列偏心旋轉閥產品。V 形球閥屬于固定球閥類型，采用單閥座密封結構，在球閥中具有最佳調節性能，具有等百分比流量特性，閥芯的V 形切口與金屬閥座之間具有剪切作用，特別適合含纖維、微小固體顆粒、料漿等介質，如美國梅索尼蘭公司生產的31000 系列旋轉調節閥產品。三角口旋塞調節閥，具有等百分比流量特性，其主要結構特點為截錐形旋塞上設置有三角形通道孔，在旋塞相對于閥座襯套作90回轉運動過程中，不斷改變三角形窗口與閥座襯套之間的節流面積，從而具有減壓、節流作用[3]，如美國DURIRON 公司生產的三角口旋塞調節閥系列產品。

在流程控制工業中，大可調比是高性能調節閥的一項關鍵性能指標參數。本文介紹一種新型旋塞控制閥，得益于其獨特的旋塞節流窗口設計，新型高旋塞調節閥可以實現很高的可調比，非常適合于化工裝置中高可調比應用工況，以實現優化工藝流程、精確控制工藝指標等目標。

1 結構原理

新型旋塞控制閥采用倒裝式結構，壓力平衡旋塞上開有兩個反向對稱的水滴型節流窗口，水滴型窗口各由一段優弧和逐步限縮的V 形切口組成。通過閥桿帶動旋塞相對于閥座襯套作1/4 周回轉運動，精確控制節流面積的連續改變，形成串聯二級或三級減壓節流單元，通過旋塞上的水滴形窗口實現可控流量特性。小流量時，可將型線設計成具有等百分比流量特性的V形切口進行調節，大流量時，由優弧段進行調節。

根據閥門應用工況的需要，可將新型旋塞調節閥閥內件設計為不同的結構形式。對于常規高可調比工況，可選用通用型旋塞結構。對于高壓差高可調比工況，可選用抗氣蝕內件結構。

2 性能特點

新型旋塞調節閥固有流量特性可設計成等百分比特性。流通能力大、可調范圍高是其突出優點。全開時，水滴型窗口優弧段完全打開，其節流面積與閥體流道橫截面積相等，流阻極小，流通能力很大，約為同口徑直行程Globe 單座調節閥4 倍。表1為新型旋塞調節閥與典型單座Globe 調節閥流通能力比較[4-6]。傳統的直行程調節閥，其固有可調比為3050，若要進一步增大可調比，設計制造難度加大?？烧{比過大，對于單座Globe 調節閥，閥芯型線在90%100%開度范圍內會產生根切現象，對于滑動套筒閥，在90%100%開度范圍內，節流窗口尺寸過寬而無法設計制造。新型旋塞控制閥由于其獨特的水滴型節流窗口設計，使得其固有可調比可達350500。

旋塞、閥座襯套和閥體三者構成完整的密封系統，閥座襯套將旋塞完全包圍，無論在開、關、旋轉時，閥座襯套在旋塞進出口之間均能形成較大的環形密封面，從而具有很好的密封和抑制串流的能力[7]。

壓力平衡倒裝式結構，閥門全關時，旋塞上下腔介質壓力相等，由于旋塞上下端的面積差，介質推力會使得旋塞與襯套接觸更緊密，從而有效提高密封性能。

旋塞與閥座襯套密封面之間的相對擦拭、剪切運動，具有很好的抗粉塵結垢功能，尤其適用于高黏度、懸浮液紙漿、含纖維介質工況[8]。

旋塞密封面借助軸向預緊彈簧與閥座襯套密封面緊密接觸，彈簧壓力始終使旋塞緊密貼合在閥座襯套上，又允許旋塞在軸向有位移，有助于補償閥門零件由于膨脹冷縮而引起的形變和多次開關后產生的微量磨損，并能防止粉塵介質進入密封面之間，同時有效減少閥門操作扭矩，避免旋塞卡死。

表1 兩種閥的額定流量系數m3·h-1

帶內、外閥籠的新型旋塞調節閥，可應用于高壓差工況。流量調節過程中，旋塞轉動，內、外閥籠不動，可避免上游介質直接沖到閥座襯套上，而是沖蝕高硬度的內閥籠，從而有效提高閥座襯套使用壽命；同時，金屬內閥籠上沿流道方向均勻布置密集通孔，與旋塞上2 個反向對稱的水滴形窗口，形成串聯三級減壓節流單元，可有效抑制氣蝕，減少振動，降低噪聲。

3 可調比特性研究

3.1 固有可調比計算

按《IEC 60534-2-4 工業過程控制閥第2-4 部分：流通能力固有流量特性和可調比》的定義，新型旋塞調節閥的固有可調比是在閥門進出口壓降恒定的條件下，可調節的最大流量與最小流量的比值。固有可調比表達式見公式（1），等百分比固有流量特性表達式見公式（2）。

式中 R——固有可調比

qmax——恒定壓降下，可調節最大流量，m3/h

qmin——恒定壓降下，可調節最小流量，m3/h

h——相對開度

聯立公式（1）（2）可推導出

按《GB/T 30832—2014 閥門 流量系數和流阻系數試驗方法》，試驗測量新型旋塞控制閥在h=0.1，0.2，…，1 開度下的對應流量系數1，2，…，10，將上述10 組數據代入公式（3）中，可以得到方程組（4）。

采用最小二乘法對方程組（4）求解[9-10]，得R 近似解：

根據流量、流阻系數試驗臺測得的十點開度下對應的固有流量系數數據，結合公式（5），經計算，該新型旋塞控制閥的固有可調比可達500。

3.2 安裝可調比估算

調節閥在生產過程中，閥門兩端的壓降并不是恒定不變的，因此，運行時調節閥的可調比會降低。安裝可調比是指調節閥在實際工作狀態下，可調節的最大流量與最小流量的比值。相對于并聯管道，串聯管道中控制閥的安裝可調比降低較少，因此，為了提高控制閥的安裝可調比，將新型旋塞調節閥串聯在管道中使用（圖1）。

壓降比也稱閥阻比，其為調節閥全開時，閥門兩端壓降占系統總壓降的比值[11]。

圖1 控制閥串聯在管道中

式中 s——壓降比或閥阻比

新型旋塞調節閥串聯在管路系統中時，當管路阻力增加時，因系統總壓降不變，使調節閥兩端的壓降減少，從而造成調節閥流通能力降低，導致安裝可調比下降。即：

式中 Rs——安裝可調比

Qmax——工作狀態下，可調節最大流量，m3/h

Qmin——工作狀態下，可調節最小流量，m3/h

3.3 安裝可調比減小原因

工作狀態下，壓降比變化，會使調節閥實際可調最大流量降低，造成實際流量特性曲線偏離固有流量特性曲線的現象，稱為流量特性畸變[12]。流量特性畸變表現為流量特性曲線的上凸。壓降比s 越小，畸變越嚴重，上凸的也越多[12]。對于具有等百分比固有流量特性的新型旋塞調節閥，其安裝流量特性畸變為近似固有線性流量特性。隨著壓降比s 的減小，調節閥兩端的壓降降低，調節閥閥的流通能力降低，造成新型旋塞調節閥安裝可調比Rs減小。

因此，新型旋塞調節閥安裝可調比降低，是閥門在工作狀態下，壓降比降低導致流量特性畸變的結果。

3.4 提高安裝可調比的措施

流量特性的畸變造成新型旋塞調節閥安裝可調比減小，從而降低系統的調節精度。對此，分析公式（7），可得出下列提高新型高旋塞調節閥的安裝可調比的措施。

（1）優化旋塞水滴型節流窗口型線設計，適當減小優弧對應的漸縮V 形切口的夾角，提高新型旋塞調節閥的固有可調比。

（2）降低新型旋塞調節閥所在串聯管路阻力，工藝配管盡可能減少不必要的彎頭、截止閥、縮徑管和擴徑管等附加管件。

（3）采用限制流通能力的新型旋塞調節閥閥內件。

4 結論

新型旋塞調節閥具有大流通能力，大可調范圍等突出優點。結合流量特性試驗數據，采用最小二乘法可以計算出其固有可調比值。同時，壓降比降低引起的流量特性畸變，是造成新型旋塞調節閥安裝可調比降低的直接原因，可以通過提高其固有可調比或壓降比來提高安裝可調比。結果表明，該新型旋塞調節閥能很好的滿足化工裝置高可調比應用工況，并為進一步提高其安裝可調比指明了方向。