高压调节阀中阀体、阀笼的设计方法解析
作者 李艳荣 杨建文
在GB/T 21465-2008阀门术语中规定调节阀（控制阀）是指启闭件（阀瓣）预定使用在关闭与全开启任何位置，通过启闭件（阀瓣）改变流通截面积，以调节流量、压力或温度的阀门；高压阀门是指公称压力PN100~PN1000(不包含PN100)的各种阀门。现将我们单位中的高压阀门在阀体、阀笼上采用的设计方法进行简要说明。
阀体是控制阀中与介质直接接触的最重要承压件，根据GB/T 21465-2008 阀门术语中规定，阀体是与管道（或设备）直接连接，构成介质流通流道的零件。阀体与流体直接接触，要保障各种介质流通并承受流体压力及适应工况的要求，其形状、结构及连接都要满足用户的要求，其中阀体流路设计的好坏直接影响控制阀的流通能力，是阀体设计中最关键部分之一。 因此合理设计阀体流路对整个控制阀的使用效果尤为重要。
传统调节阀阀体流路的设计方法是根据阀门的公称通径、阀内件的安装尺寸、法兰距及各种法兰标准来确定阀体流路中各条曲线的走向，再经过平滑连接而成，如图1所示GT型笼式阀DN100阀体部分曲线。但是如果当流体压力过大时，流速很高，冲击噪音很大，很容易产生阻塞流。这样不但对阀体中腔造成损坏，影响阀门的流量系数，还会产生很大的冲击噪音。
图1 GT笼式阀阀体曲线
在我们设计的HP系列高压调节阀中对阀体流路的设计方法进行了改进，如图2所示HP系列笼式阀DN100阀体部分曲线。我们设计的阀体导流翼位置：即在阀体入口处（1）和中腔部分（2）增加了导流翼的设计，这样使流体进入腔体以后，由多个部位分流进入中腔，并且通过中腔导流翼的引流作用直接进入阀体下腔体（3） ，设计中还采用了入口流路尺寸远远小于出口流路尺寸的方法，这样不但能够使高压流体分流进入腔体，减少阻塞流的形成机会，而且能够减少流体的冲击噪音，使出口的流体流速接近平稳。
图2 HP高压笼式阀阀体曲线
增加导流翼设计与无导流翼设计的阀体FLOWWORKS流体模拟示意图见图3，图4
图3 GT-DN100 FLOWWORKS模拟 图4 HP-DN100 FLOWWORKS模拟
通过对比我们看出，增加导流翼的设计可以明显改善了流体在阀体内流动过程中的紊乱状态，最终使流动阻力减小，从而降低了压力恢复系数FL,进而使流量系数得到明显提高，我们也通过在流量实验室做出的实际试验数值验证了这一结果。即在阀座内径相近、行程相同的情况下具体流量数值见表1。
表1
由上表可以看出：无导流翼设计的GT控制阀与增加导流翼的HP系列控制阀相比，当GT系列DN100控制阀阀口面积增加31.2%的情况下，流量系数Cv只增加了9.3%，可见增加导流翼的作用了。
阀笼是与流体直接接触的在阀内可拆卸的并能够通过流通面积的改变而引起流量变化的零件，因此阀笼的设计方案直接影响整个阀门的使用效果。阀笼作为与流体介质直接接触并能够通过流通面积的改变直接影响控制阀的流通能力，是阀门中最重要的阀内件之一。
传统笼式阀的阀笼设计方案如图5、6所示，在阀笼上开出4到10个空心窗口，并通过改变窗口的流量面积改变流量特性。 当被调节的介质压力高，压差较大时，高速介质流过笼式阀时，介质从阀笼上几个窗口均匀流入阀笼中心，然后合成一股流向阀后，这种流动在阀笼中心极易产生产生涡流，二次流等复杂流动，由于介质突然收缩和突然扩大，使流场极不均匀，产生噪音，还容易造成阀内零件的损坏。
我们设计的高压阀笼是在大于行程范围内分布多个直径相同的小孔，如图7、8所示，通过小孔不同的排布来调节流量，改变阀门的流量特性。阀笼可分为等百、直线特性。当压力高，压差较大的介质通过控制阀的阀芯、阀笼形成的节流端面时，流体流速突然急剧增加而静压力骤然下降，利用介质的多孔节流原理，我们在调节阀的阀笼上开出多个尺寸相同的小孔，均匀分布4组并通过小孔的排布和数量来调节流量，当介质从各对小孔喷射进去后，介质在阀笼的中心相互碰撞，碰撞时由于消耗了能量，起到了缓冲的作用，减少了涡流形成的可能性。从而大幅度降低了高压介质产生的噪音，提高阀门的使用寿命。
等百 直线
图7 图8
不同型式的阀笼在阀体中实际流体模拟分布见图9，图10。
图9 GT-DN100 FLOWWORKS模拟 图10 HP-DN100 FLOWWORKS模拟
通过对比可以看出在调节阀中阀笼采用多孔的设计方法，可以在很大程度上在阀笼内部减少涡流的形成，使流体在阀笼的中心相互碰撞，消耗能量，增加流体流速、降低噪音，提高了阀门的使用寿命。
控制阀产品品质与阀体、阀笼的结构设计是密不可分的，阀体、阀笼直接与介质接触是控制阀最关键的零件之一，合理设计阀体流路和阀笼开口形状、尺寸决定了一个控制阀的品质，设计人员要充分利用FLOWWORKS计算机流体模拟软件分析功能，优化结构设计，为企业设计制造出优秀的控制阀产品。
