抗气蚀串联多级节流控制阀设计研究

耿圣陶 ，徐 滟 ，明 友 ，陈凤官 ，王 渭 ，余宏兵 ，郝伟沙 ，叶晓节

（1.合肥通用环境控制技术有限责任公司，合肥 230088；2.合肥学院，合肥 230601；3.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

高压差恶劣工况下，普通单座控制阀使用寿命很短，闪蒸和空化引起的气蚀是主要原因。对此，串联多级节流控制阀通过将高压差分解为多个较小压差，逐次分步减压，有效抑制气蚀破坏，提高使用寿命，并减少噪声和振动。抗气蚀串联多级节流控制阀设计难点主要为两方面：一是阀内介质压力合理分配，二是各级节流额定节流面积的确定。对于阀内介质压力分配，裘叶琴给出各级节流压降逐级减半的分配方法［1］，不仅缺少理论依据，而且也没有给出各级压降分配与各级节流额定节流面积分配之间对应关系，造成后续多级节流阀内件结构参数计算困难。而对于串联各级节流额定节流面积的确定，较少见到公开发表的定量研究文献。

1 典型结构特征

串联多级节流控制阀流体连续流过若干弯曲流道，通过流体连续扭曲、同时反复压缩膨胀来耗散能量，从而实现串联多级节流内件的减压降速效果，即分步逐级减压，让每级减压压力高于蒸汽饱和压力，有效抑制气蚀和高速流体冲刷，同时减少振动和噪声。阀内件为金属硬密封结构，保留了相对宽大的曲折流道， 结合多级阀芯与消能室内壁多级肋板之间的剪切作用，适用于高压差、高温以及含固流体工况中［2-3］。

按阀芯结构可分为不平衡型和平衡型。图1示出不平衡型，多级阀芯受介质不平衡力作用，在克服高压差时需要较大的执行机构输出力。图2示出平衡型，多级阀芯上开有平衡孔，利用平衡密封环阻止阀芯平衡孔内介质内漏。多级阀芯上下所受介质压力相同，阀芯动作时只需克服作用在较小阀杆横截面上的介质不平衡力，以及摩擦力，因此只需配较小输出力的执行机构就能满足高压差工况的要求［4-7］。

图1 不平衡型串联多级节流控制阀

图2 平衡型串联多级节流控制阀

2 阀内介质压力分配方法

2.1 压力分配与额定节流面积分配关系

控制阀节流原理与孔板节流原理类似［8-9］，以GB/T 2624.2-2006中法兰取压口孔板差压装置为基本单元［10］，建立串联多级孔板模型，即将串联多级阀内件，看作是多个孔板串联，各孔板喉径分别等于阀内件各级额定节流面积对应的当量直径值，各孔板对应上下游管道内径相同，其与控制阀连接管道内径相等，通过各孔板的流体质量流量相等。按标准中的基本式（1），经计算推导，可获得串联多级节流控制阀各级节流处压降占比和各级额定节流面比之间的近似对应关系，计算过程不再赘述，计算结果见表1。

式中 qm——质量流量，kg/s；

C ——流出系数；

ε ——可膨胀性系数；

d ——孔板喉部直径，m；

Δp ——压差，Pa；

ρ1——流体密度，kg/m3；

β —— 直径比，m，β =d/D；

D ——工作条件下上游管道内径，m。

表1 阀内介质压力分配方法

2.2 阀内各级节流处压降分配抗气蚀验算

节流缩流断面处的介质压力不小于介质在进口温度下的饱和蒸汽压，从而防止气蚀的产生。当 ΔP ＞ ΔPC，P2＞ PV，P2为阀门出口压力，若不采用降压措施将产生气蚀现象［2-3］。在串联多级节流控制阀设计使用时，应对分配后的阀内介质压力进行验算，即用每一级节流的实际压降ΔPi与产生阻塞流时的压降ΔPiC进行比较，验算是否存在气蚀［1］。当 ΔPi≤ ΔPiC时（i=1，2，3…n），即可完全抑制汽蚀的产生，即串联多级节流控制阀的每一级节流的实际压差ΔPi均应小于产生阻塞流时的压差ΔPiC。

式中 ΔPC——节流处产生阻塞流时的压差，MPa；

FL——液体压力恢复系数；

P1——节流处进口介质压力，MPa（a）；

FF——液体临界压力比系数。

式中 PV—— 入口温度下液体蒸汽的绝对压力，MPa（a）；

PC——绝对热力学临界压力，MPa（a）。

3 额定节流面积的确定方法

根据阀门工艺数据，选取阀门额定流量系数，按照阀内介质压力分配结果，结合式（4）～（7），即可反推出串联多级阀内件各级节流处所需的额定节流面积［8，11，12］。

式中 CVS——阀门额定流量系数；

CVb——阀体流量系数；

CV0——阀芯密封面处额定流量系数；

CVi—— 第 i（i=1，2，3，…，n）级节流额定流量系数。

式中 D ——阀门连接管道内径，cm。

式中 A ——阀门连接管道内径对应的面积，cm2；

Ars0—— 阀芯密封面额定的节流面积，cm2（i=0）；

Arsi—— 第 i（i=1，2，3，…，n）级节流额定节流面积，cm2。

式中 Q ——介质体积流量，m3/h；

N ——数字常数；

ΔPi—— 第 i级节流进出口压差，MPa；i=1，2，3，…，n；

Gf——液体比重。

4 气蚀工况设计实例

4.1 阀门工艺及规格数据

表2 阀门工艺及规格数据

4.2 阀内介质压力分配

4.2.1 按各级节流压降逐级减半方法

联立式（2），（3），（8），阀内介质压力分配的计算数据和验算结果见表3。

表3 按各级节流压降逐级减半方法（传统方法）计算数据 MPa

4.2.2 按表1阀内介质压力分配方法

联立式（2）和（3），结合表1中压力分配方法，阀内介质压力分配的计算数据和验算结果见表4。

表4 按表1阀内介质压力分配方法（本文提出方法）计算数据 MPa

4.2.3 各级节流处介质压降确定

分析、对比表3，表4中上述两种压力分配方法的抗气蚀验算结果，可知串联3级节流不能完全抑制气蚀产生，而对于串联4级节流，按传统压力分配方法，第4级仍有气蚀产生，按本文提出的压力分配方法，则能完全抑制气蚀的产生。因此，对于该气蚀工况，节流面积按1：1：2：4的串联四级节流控制阀可以有效抑制气蚀的产生，且各级节流处压降分别为 3.289，3.289，0.841，0.229 MPa。

4.3 各级节流额定节流面积确定

联立公式（4）～（7），结合上节确定的各级节流处的压降，及上表2中阀门额定流量系数值，经计算推导，可得适合该典型气蚀工况的抗气蚀串联四级节流控制阀，其各级节流额定节流面积分别为 22.65，22.65，45.30，90.60 cm2。

5 结语

本文提出的串联多级节流控制阀阀内介质压力分配方法，可以有效抑制气蚀产生。而且，相对于传统各级节流压降逐级减半的方法，可以用较少的节流级数实现对气蚀的完全抑制，其抗气蚀效果更好。同时，结合本文提出的额定节流面积确定方法，可以方便精确地计算出各级节流的额定节流面积，完成对控制阀关键结构参数的设计。研究结果为抗气蚀串联多级节流控制阀设计及相关产品研发提供了一定的参考。