大口径笼式阀的设计特点
文：赖小倩，李艳荣
大口径笼式阀一般可广泛应用于石油、化工、电力、轻纺及造纸等行业中需要精确控制和调节的大流量的场合，随着近几年大型煤化工等企业的不断开发建设，对大口径调节阀的需求量也逐渐增多，尤其对口径DN300以上的笼式阀在很多设计院的选型中也是越来越常见。下面本文以DN350、DN400的笼式阀为例简要分析一下各个控制阀生产厂家的设计参数以及我公司生产的G系列大口径笼式阀的设计特点。
一、部分国内外生产厂家参数介绍
表1部分厂家的DN35O、DN400全通径笼式阀Cv值列表
除以上大口径笼式阀生产厂家外，还有大连亨利生产的打孔型直线特性笼式阀，DN350的Cv值为1650 ;阿卡控制阀生产的打孔型直线特性笼式阀,DN350的Cv值为2106，DN400 的Cv值为2925 ; masoneilan公司生产的打孔型直线特性笼式阀，DN400的Cv值为2500等。
由表1及说明可以看出，各个控制阀厂家生产的DN350、DN400笼式阀一般都具有直线和等百分比两种流量特性或只有一种直线流量特性的形式，且阀笼窗口采用铸造或钻孔成型的方法完成，但在流量系数Cv值上由于设计结构的不同差别还是很大的。
二、G系列大口径笼式阀
随着大口径笼式阀的应用越来越广泛，我公司也推出了G系列大口径笼式阀产品。压力等级为150LB到60OLB,公称通径为DN350、DN400，使用温度为-73到538℃具体结构如图1所示;
下面本文通过对阀体、阀笼及整机流量特性方面进行分析，来简要说明一下G系列大口径笼式阀的设计特点。
图1G系列大口径笼式阀立体 图2-1阀体零件主视剖面 图2-2阀体零件左视剖面图
图3-1等百分比特性 图3-2直线特性
1、阀体的设计分析
我们设计的G系列大口径笼式阀阀体见图2、图3
阀体是控制阀中与介质直接接触的最重要的承压件,根据GB/T21465-2008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。
如图2所示，我们设计的阀体流路曲线是经过精确设计计算的，要求每一个入口和出口截面积都要大于或接近阀门入口面积,这样才能保证具有大的流量系数的同时，不会产生介质截流。如图2-2所示，在阀体的中腔部位，我们设计了一个流体导流翼,导流翼的作用是减少高压流体在进入阀体后对中腔的冲击，降低阻塞流的形成机会，降低阀门的冲击噪音等。
2、阀笼的设计分析
阀笼是与流体直接接触且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。而且阀笼窗口的设计直接影响控制阀流量特性的好坏，是阀门中最重要的阀内件之一。如图3所示为G系列大口径笼式阀中的等百特性和直线特性阀笼通过solidworks立体软件分析，计算出阀门在10%到100%的各个行程上阀芯与阀笼形成的流通面积，然后进行分析计算并设计出阀笼的窗口曲钱（在保证阀笼强度的情况下),经过流体分析软件FLowWORKS进行流量模拟试验，得出各个行程的Kv值，再根据流量特性的要求进行窗口曲线修正，直到达到设计要求。
如图1所示，我单位设计的大口径笼式阀的阀笼装配结构为悬挂式，即阀笼通过阀笼垫片悬挂在阀体中法兰上，且下端不与阀座等零件接触,通过阀盖将其压紧在阀体中，阀笼通过与阀体的上、下止口配合保证与阀体中心的同轴度。这样即避免了在阀笼自重和螺柱压紧力的作用对阀体下止口(装阀座部位)的设计璧厚过大，也降低了由于螺柱压紧力的作用使阀笼窗口变形的影响。且由于大口径笼式阀的阀笼零件相对重量很重，采用悬挂式阀笼结构很容易将阀笼从阀体中取出，便于检修和替换,也可避免了由于热膨胀引起的阀门泄漏等问题。
表2
表3
表4 G系列笼式阀等百特性K值列表
表5 G系列笼式阀直线特性Kv值列表
3、流量特性分析
经过流量试验进行测试，得出我们设计的G系列大口径笼式阀的可调比为R=50:1，下面主要针对G系列大口径笼式阀的各行程流量值及流量特性情况进行简要分析。如表4、表5所示,为我单位生产的G系列大口径笼式阀流量试验数据及分析情况。
在GB/T4213-2008《气动调节阀》标准中规定了流量特性斜率偏差的数值，即在5.11.1条规定，直线流量特性斜率偏差:在相对行程h=O.1～0.9之间,任意相邻流量系数测量值的差值与实测额定流量系数的比值应符合表2的规定。在5.11.2条规定，等百分比量特性的斜率偏差:在相对行程h=0.1 ～ 0.9之间，任意相邻流量系数测量值的十进对数((lg)差值应符合表3规定。
经过以上的数据分析可知，我们设计的G系列大口径笼式阀除了具有相对较大的流量系数以外，等百分比和直线流量特性都符合GB4213-2008《气动调节阀》标准中规定的流量特性斜率偏差的数值范围。
综上所述,控制阀的设计也是一个复杂的过程,通常要通过大量的计算和试验相结合的方法来完成,并建立了国内最先进的流体实验室,此实验室不仅能够做出流量系数Cv.流量特性、液体的压力恢复系数FL、气体的额定压差比系数XT、动载荷情况下阀杆的扭矩和推力。为了本单位生产的控制阀产品能够更好的适应市场要求，使研发的新产品更早的占有市场，我们公司投入了大量的人力、物力来进行前期的新产品研发及试制，并通过试制过程来进一步优化产品结构，争取为用户提供质量更好，性能更稳定的产品。
