李红梅（哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司 黑龙江哈尔滨 150060）
摘要：介绍了高压力调节阀级联式结构的用途、结构特点和工作原理，并且与平衡式结构进行了对比；简述了阀瓣与导向套材料的选取；举例说明级联式结构的设计思路。
关键词：级联式；平衡式；高压差；泄漏等级
1.概述目前，国内火电机组逐步向高参数发展，超临界、超超临界机组逐渐成为主体炉型。因此机组配套高加疏水调节阀、启动循环泵出口调节阀等类型阀门在高压差工况下运行是不可避免的。但是，高压差所带来的是调节阀执行机构推力的大幅度增加，导致气动执行机构、电动执行机构成本的大幅上涨。那么，这些类调节阀的传统结构已不能满足现今的需求，如何通过有效降低执行机构推力，达到降低调节阀的设计制造成本，是阀门领域需要解决的难点。
2.设计2.1 结构特点及原理对于高压差工况，传统设计多为平衡式结构，如下图：
此结构因为在阀瓣上开有平衡孔，使阀瓣上腔压力与阀瓣下腔压力理论上达到平衡，从而减小阀门开启力与关闭力。但是推力减小的同时，泄漏量却增大了，这种平衡式结构泄漏等级最多可达到Ⅲ、Ⅳ级水平，所以不适于有关断要求和泄漏等级在Ⅳ级以上的调节阀使用。
新型级联式结构设计，不但从根本上大幅度降低了阀门所需推力，而且，可以使阀门达到很高的泄漏等级—Ⅵ级，甚至关断为零泄漏。级联式结构简图如下：
级联式结构的工作原理是：阀门开启前，介质通过导向套上的小孔1 进入大阀瓣上部；当阀门将要开启时，执行机构带动小阀首先打开，大阀瓣上的孔4 变成平衡孔，平衡大阀瓣上下腔压力，减小压差，当压差减小到一定值时，大阀瓣在执行机构的作用下，迅速开启。当阀门关闭时，执行机构推动小阀首先关闭，平衡孔4 被封闭，阀瓣上部压力逐渐增大，上下腔压差增大，介质帮助阀门关闭，大阀瓣在执行机构和介质作用力下关闭。由于阀门关严时平衡孔是被小阀封闭的，所以阀门泄漏等级可以达到Ⅵ级及以上。
在设计过程中应当注意的是：第一，级联式结构在小阀与大阀之间应当装设有缓冲弹簧，用于避免阀门在开启和关闭过程中大阀瓣与小阀瓣之间的震荡。第二，在导向套上应开有小孔，在阀门开启时，能够快速排出阀瓣上部介质减小压力，防止憋压，使阀门能够迅速打开。
2.2 设计级联式结构设计中，导向套上小孔1 面积、大阀瓣上的平衡孔4面积、小阀瓣开启高度3 的帘面积以及阀瓣压盖上的通孔2 面积，都有一定的比例要求。通过计算机建模后从流体分析软件的数据可以看出：大阀瓣上部压力与下部压力实际上是不会达到完全平衡的，总会存在着一定的压差，依据阀门开启高度的变化，压差值也是变化的。
进行调节阀推力计算时必须考虑到这一点。
一方面阀门开启过程中，我们希望大阀瓣上部介质能够顺畅排出导向套以防出现憋压现象影响阀门开启速度，延长阀门到达全行程时间。所以导向套上的小孔尽量大，对于介质顺畅排出导向套是有利的。
但是，另一方面导向套上小孔1 也不是越大越好，过大会使大阀瓣上腔压力升高太多，导致大阀瓣上下腔压差过大，增大阀门开启力。一般小孔1 面积与小阀瓣开启高度3 的帘面积比最好在1：14~1：23 之间较为合理。如：小阀开启高度为h=4mm，大阀瓣平衡孔4 直径为d1=22mm，小阀瓣密封副外径为d2=24mm 则小阀瓣开启高度的帘面积计算公式为：S1=Πx（d1+d2）/2xh=Πx（22+24）/2x4=289mm2如取面积比值14，则导向套小孔面积应为：S2=S1/14=20.64mm2，因此，可求出导向套上开孔直径为：d=sqr（S2/（Π/4））=5.13mm，可取整为5mm。
大阀瓣上平衡孔4 的面积和阀瓣压盖上孔2 的面积均应大于小阀开启高度的帘面积。验证如下：大阀瓣上平衡孔4 的面积：S3=（Π/4）xd12=0.785x222=380mm2S3>S1，所以设计取值合理。
3.材料选用关于大阀瓣与导向套材料的选用，应考虑到高压差情况和两个零件的配合导向运动。由于高压降引起阀瓣在导向套内剧烈的振动以及调节阀工作时的频繁运动，阀瓣与导线套的配合接触面易磨损破坏掉，最终导致阀瓣出现卡涩和擦伤现象，影响阀门的调节性能。因此提高阀瓣与导向套配合表面的耐磨性和硬度尤为重要，同时还要保证两个零件具有一定的硬度差。一般阀瓣和导向套零件多选用不锈钢或铬钼钒钢材料进行表面氮化处理。
4.结束语级联式结构一方面因其小阀瓣的关断功能，保证了调节阀具有较高的泄漏等级；另一方面大、小阀瓣联合运作的级联结构很大程度上减小了阀瓣上下部压差，降低了阀门的推力。所以，级联式结构的调节阀目前在火电领域应用较广。
论文作者:李红梅
论文发表刊物:《电力设备》第01期供稿
论文发表时间:2015/9/22
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