CN1023343C

CN1023343C - 改进的节流阀

Info

Publication number: CN1023343C
Application number: CN90104440A
Authority: CN
Inventors: 马克斯·库弗
Original assignee: Keystone International Holdings Corp
Current assignee: Keystone International Holdings Corp
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-06-14
Publication date: 1993-12-29
Anticipated expiration: 2005-06-14
Also published as: WO1990015944A3; AU640678B2; KR920701729A; EP0477299A1; BR9007442A; WO1990015944A2; JPH05502283A; HU906770D0; CN1048093A; AU6160690A; EP0477299A4; HUT63236A; FI915872A0; CA2016800A1; ES2025391A6

Abstract

一种防止阀表面损坏的节流阀，它包含：一个带有引入液体或气体的进口管和排出液体或气体的出口管，以及支承阀杆的阀口的阀体；位于该阀体内进、出口之间的环形密封机构；和一个用来打开和关闭进、出口管之间流体的可伸缩阀塞，该阀塞有一个与密封机构滑动配合并具有由指数方程确定的轮廓形状的尖头部，它可将流体导引向出口管中心，从而使液体的汽化和气蚀现象发生在离开阀塞表面和出口管壁的地方。

Description

本发明一般涉及一种改进的可防止阀表面损坏的节流阀的设计。具体地说，本发明是针对防止由于液体突然汽化和随后发生气泡内爆引起的腐蚀和气蚀现象的。

节流阀用于化学工业、石油工业和公用事业设备工业中各种有高压力降的场合，包括：连续排污取样、高压通风、涡轮机排水和锅炉进给泵旁通释压等。在苛刻条件下使用的重型阀有着广泛的用途。损伤性的条件通常并不是持久的。一般在工作时的某一瞬间出现，每天或每星期只有几次。这种阀通常作为高压和低压排水和预热阀，用于再加热器、再加热器和过热器排水、蒸汽涡轮的止动和节流阀排水及通风。

节流阀经常由于其重要部分发生腐蚀、气蚀和拉丝而快速损坏。气蚀现象就是在快速流动的液体中突然形成气泡并且破裂。一种可使阀表面损坏减至最小的节流阀应用了硬质合金盘和涂有耐腐蚀材料的圆柱形阀座。流经盘与阀座间的环形区的流体在到达盘的粗端前均匀地加速，到达盘的粗端后，流道中心处的液流面积增加，使流道心部产生压力降，从而使圆柱形阀座中沿阀座壁连续流动着的一层未汽化的流体内发生汽化。

这种节流阀通常碰到的问题是，当液体介质流过阀的出口时，在阀内引起的压力降会使液体介质发生汽化和气蚀现象。气蚀常常发生在节流阀表面的某些部位并损坏这些部位的表面。由于设计了盘和阀座，暴露在圆盘粗端处产生的气穴中的阀表面必须涂上耐磨材料，但是，在这些表面涂上耐磨材料的成本是昂贵的。

因此，希望能有一种这样的节流阀，它能引导流体离开阀体及某些构件的内表面，以便使气蚀造成的损伤减至最小。

而且，更希望提供一种其阀塞轮廓形状由指数方程规定的节流阀，它能由阀塞引导流体离开阀的内表面。

因此，本发明的一个目的是提供一种专门为苛刻条件下使用而设计的节流阀，它能限制离开阀的表面的液体介质发生汽化和随后产生气蚀的部位。

本发明的另一目的是提供一种节流阀，它可使液体介质通过一个后接较大横截面通道的小横截面通道而加速，从而使阀的表面上的一定位置内不会发生任何汽化和气蚀现象。

本发明的又一个目的是提供一种只有少量的阀表面要求涂上耐磨涂层的节流阀，从而降低阀的制造成本。

本发明的再一个目的是提供一种多用途的节流阀，它能输送气体、液体、水和蒸汽的混合物或液体与磨料混合的浆料，而不浸蚀和损伤阀座和阀塞。

本发明还有一个目的是提供一种能适应具有气蚀作用和急骤蒸发的液体、含有悬浮粒子的液体和两相液体的节流阀。

按照本发明，提出了一种能防止阀表面损坏的节流阀，这种阀包含一个阀体，阀体上带有一个用来支承阀杆的阀口以及一个将气体或液体介质引入阀内的进口管和一个把气体或液体排出阀体外的出口管。在阀体内的进口与出口之间设置了一个环形密封件。本发明的节流阀还包括一个可伸缩的阀塞，它安装在阀内并可来回滑动，用来打开和关闭进口管与出口管之间的液流。该阀塞有一个轮廓形状由复杂的指数方程确定的尖头部。该尖头部与上述密封机构滑动地配合，其外形可将输出的流体导引向上述出口管的中心。本发明的节流阀有两种形状，一种是直线形的，一种是成角度的，直线形阀的出口处设有一种可拆卸的带防护涂层的硬板。

根据本发明的一种可防止阀表面损坏的节流阀，它包含：

一个阀体，该阀体有一个用来将液体介质引入阀内的进口管和一个将液体排出该阀体外的、具有出口轴线的圆锥形扩展的出口管以及一个用来支承可伸缩的阀杆的阀口;

在上述阀体内位于上述进口与出口之间的环形密封机构;以及

一个用来打开和关闭进口管与出口管之间的液流的可伸缩的阀塞;

其特征在于：该阀塞有一个用上述密封机构滑动密封的具有特定轮廓的尖头部，该尖头部具有一个相对该出口轴线有递减的弯曲角度的外部密封表面，以便将液流导引向出口管的中心，因而使上述液体的汽化和气蚀现象发生在离开上述出口管壁的地方。

根据本发明的一种可防止阀表面损坏的节流阀，它包含：

一个阀体，该阀体有一个将液体介质引入上述阀内的进口管和一个基本上垂直于上述进口管的出口管，用来排出上述液体该出口管具有圆锥形扩展的、沿出口轴线形成的内侧壁;

固定在上述阀体内位于上述进口管与出口管之间以便在上述进口管与出口管之间形成密封的环形密封机构;

一个与阀体相连接的阀帽，它带有导槽，用以夹持可伸缩的阀塞;以及

一个夹持在上述阀帽内的可伸缩的阀塞;

其特征在于：该可伸缩阀塞有一个具有特定轮廓并用上述密封机构滑动密封的尖头部，用以打开和关闭进口管与出口管之间的上述液流介质，上述具有一个相对该出口轴线有递减的弯曲角度的外部密封表面且有特定轮廓的尖头部，将流出的液流导引向上述圆锥形扩展的出口管之中心，从而使上述液体的汽化和气蚀现象发生在离开上述圆锥形扩展的出口管内壁的地方。

结合附图，将能更好地理解上面的概述和下面的详细说明。为了举例说明本发明，附图示出一个最佳实施例，但是必须明白，本发明并不局限于所述的具体结构和方法。

图1是本发明的节流阀的最佳实施例在打开和关闭状态下的时滞剖面图;

图2和2A是图1所示最佳实施例的阀塞尖头部轮廓曲线的进度表;

图3是图1最佳实施例的阀塞之轮廓曲线的指数方程;

图4是本发明的第二实施例的剖面图。

下面参考附图来说明本发明。附图中同样的零件标以同样的标号。参见图1，该图为本发明的节流阀10处在打开和关闭状态下的剖面正视图。本发明的节流阀10带有一个由锻造或铸造耐热碳钢制成的阀体12，阀的形状设计成有角度的，并且可按照具体工业的需要进行制造。阀体12带有一个进口管13和一个与它垂直的出口管15，用来将液体导入和引出节流阀。阀体12还包括一个阀帽14，通过锁紧螺帽17使其紧靠到压力密封件上。锁紧螺帽17由螺栓17a卡住。阀帽14由耐热低合金钢制造，在其下端带有一个淬硬的导向环11，用来对阀塞进行无振动导向。阀帽14的轴向部分带有孔16，用以夹持阀杆18。孔16的上部与阀杆18之间的空间装入一个密封套20，通过拧进密封螺帽21使加强压盖22压紧该密封套20。导向衬套23支承着阀杆18。阀帽14由扇形环27和支承环25支承定位。

阀帽14带有圆柱形空腔24，当阀塞26的主体升高时，正好进入空腔24中。进口管13从阀体12的侧壁延伸出去，并且与要进入节流阀的液体介质或浆料来源相通。各类物质都可通过该阀，包括水和蒸汽的混合物或者液体与磨料组成的悬浮液。

出口管15位于阀体12的下端，发生过汽化的液体从这里排出。出口管15的形状为圆锥扩展状。采用这种形状可防止第二气蚀效应，并通过硬质合金硬化面层防止出口管15的磨损。

阀体在进口管与出口管之间有一环形密封件32，它由一个外环形阀座34和一个插入外环形阀座34中的内环形阀座32组成。当阀塞26处于关闭位置时，环形阀座32、34起密封作用;而当阀塞缩回而处于打开位置时，它们则成为一个旁通路，使通过的液体介质顺着流出方向不断加速。外环形阀座34焊到阀体12内，与出口管15相邻接。内环形阀座32的一个内表面36顺上游方向从一端向外延伸，而第二内表面38则顺着下游方向向外延伸。

由于内环形阀座32可在外环形阀座34内移动，故两个环形阀座间形成一个间隙40。因此，当温度极高（500～1000°F）的液体或气体介质通过节流阀10并流经内环形阀座32时，间隙40的存在便允许内环形阀座32发生热膨胀或阀体12发生变形。并且，当将外环形阀座34焊到阀体12内时由于温度极高而使阀座34发生热膨胀。只有在内表面36、38上涂有耐磨性能好的材料，例如碳化钨、碳化铬或硬质合金。制造该阀时，先将两个阀座零件连成一个整体，进行机加工后再放入并焊到阀体12中。

下面阐述最佳实施例的阀塞26。阀塞26引导液体介质流到内环形阀座32下游的特定位置上。在本实施例中，阀塞26包含一个普通的圆柱体，其上端与阀杆18相连接，下端带有一个尖头部42。阀塞26由阀杆18带动向上滑入阀帽14的空腔24内，其尖头部42带有轮廓精确的弧形外壁，其曲线相对于阀体12的中心轴线的曲率逐渐减小。阀塞尖头部42的轮廓形状由图2所示的曲线和图3所示的下列方程式确定：

Y=A+ ((V-A))/(_UWU/(V-A)) × (U-X)^(WU/V-A)

式中：A＝ (D)/2 ，D为阀塞尖端的直径;

V＝S×C₁;

U＝S×C₂;

其中，C₁和C₂为常数，C₁＝0.1～5.0，C₂＝0.5～5.0;S为内阀座的最小直径处至阀塞中心轴线的距离;W＝C₃，其中C₃＝0.1～2.0;X为冲程，该冲程等于阀的公称尺寸。

阀塞26的弧形外壁按顺流方向引导液体介质流离阀塞表面，而防止液流发生畸变。阀塞26可用陶瓷材料制成，并且其外表面应涂上一层薄而光滑的高耐磨的碳化钨或碳化铬41。阀座的流道用例如Stellite 6或Hayens 25等合金材料进行表面硬化。所产生的液流流速矢量是从阀塞的轮廓向外的。阀塞26可提供线性控制特性，但在开始时有一个极小的静区。由于它具有这种线性特性，故可减小阀座的尺寸，从而降低间隙漏渗率。如果使用时要求具有指数特性，则可在定位器中使用一个凸轮或者采用电子控制办法来获得。

节流阀10还包括一个圆锥形向外扩展的出口管15，其横截面积比内环形阀座32要大，这个区域是一个可能产生汽化继而发生气蚀现象的部位。出口管15的主壁43从内环形阀座32向出口方向延伸，并与平行于阀体中心轴线延伸的第二内壁44相连接。出口管15的内壁涂有类似于第一内表面36上的高耐磨物质。由于内环形阀座32（以及其内表面36、38）与出口管15之间横截面积不同，故液体介质流经内环形阀座32进入空腔15时，会产生大而突然的压力降而使流速降低，这就引起液体介质在其饱和点或接近饱和点发生汽化和气蚀。而且由于液体介质加速流经内环形阀座32（如上所述），故更助长了这种现象。结果就会在阀体12内阀塞26的下游的特定部位上发生气蚀现象，而不是在阀座的经过特殊处理以防止表面损坏的部位上发生。

图4示出本发明的另一种可供选用的Y型通路的实施例。在该实施例中，进口管与出口管基本上是平行的，其阀塞组件和阀座组件横向伸到进口管和出口管处，阀体12′用模锻的或铸造的耐热低合金碳化钢制成。阀帽组件14′与第一个实施例是一样的。这个实施例在其出口部位还装有一块带防腐涂层的硬板58，这块板用环形件夹持并用螺栓17a锁住。

下面参考附图说明本发明节流阀的工作情况。本发明节流阀用作恶劣条件下使用的控制阀，用以输送高温高压的气体、液体、水和蒸汽的混合物以及液体与磨料混合的浆料。该节流阀从设计上防止了阀的表面因腐蚀和气蚀而造成的损坏。

来自液源的液体介质通过阀的入口和进口管13进入节流阀10。在完全关闭的状态下，阀塞26的尖头部42与内环形阀座32相接合，组成一个可阻止任何液体通过节流阀10的封闭系统。

用一种普通的促动机构带动阀杆18沿纵轴向上移至打开位置，（此时阀塞26退入到阀帽14的空腔24内），从而使阀塞26脱离内环形阀座32，并允许液体流过节流阀10。

流经进口管13的液体由阀塞尖头部42向下导引流过内环形阀座32。阀塞尖头部的轮廓曲线由下列指数方程确定：

Y=A+ ((V-A))/(_UWU/(V-A)) × (U-X)^(WU/V-A)

式中，A＝ (D)/2 ，D为阀塞尖端的直径;

V＝S×C₁;

U＝S×C₂;

其中C₁和C₂为常数，C₁＝0.1～5.0，C₂＝0.5～5.0;

S为内阀座最小直径处至阀塞中心轴线的距离;

W＝C₃，其中C₃＝0.1～2.0;

X为冲程，该冲程等于阀的公称尺寸。

当液体流过内环形阀座32的第一内表面36时，由于该表面的横截面积连续减小而不断加速，当液体介质到达内环形阀座32的第二内表面38之起始处时，流速达到最大。当液流流向出口管15而通过第二内表面38时，其横截面积则连续增加。由于从第一内表面36到第二内表面38之间横截面积发生突然变化，故产生了急剧的压力降从而导致液体介质在其饱和点或接近饱和点发生汽化和随后的气蚀作用，但阀塞尖头部42的轮廓形状可导引液流和形成的气泡向下进入空腔46并离开尖头部42的表面。

气蚀现象所形成的气泡在涂有防止损坏的涂层的空腔46内发生内爆，随后，液体与气体的混合物从出口排出。

在本实施例中（图1），进口管13和出口管15分别设有法兰54和56，以助节流阀的连接。但是，必须明白，可以根据使用节流阀的系统的不同选用任何合适的安装机构。

在另一种实施例中，阀塞和阀座组件也以类似的方式工作。但是，它带有一块耐磨损的连接板58，可防止阀体受有气蚀作用的液体的损坏。

对本技术熟悉的人都将明白，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可对上述实施例进行某些修改，因此，还应该明白，本发明并不局限于所述的特殊实施例，它应包括在不违背所附权利要求书中规定的范围和精神下所作的各种改型。

Claims

1、一种可防止阀表面损坏的节流阀，它包含：

一个阀体，该阀体有一个将液体引入该阀内的大致为圆柱形的进口管，一个将上述液体排出该阀体外的具有出口轴线的圆锥形扩展的出口管，和一个用于支持一个可伸缩阀杆的阀口；

位于上述阀体内在上述进、出口管之间的密封机构；以及

一个用于开闭上述进、出口管之间的液流穿过上述阀口的可伸缩的阀塞；上述可伸缩阀塞有一个用于与上述环形密封机构一起进行密封的特定轮廓形状的尖头部；

其特征在于，

上述特定轮廓形状的尖头部能够滑动地与上述环形密封机配合；并且

上述尖头部的轮廓形状在其密封表面相对于上述出口轴线为凹形，上述轮廓形状沿液流的方向相对于上述出口轴线弯曲角度渐减，以便将液流导向上述出口管的中心，从而使上述液体的汽化和气蚀现象不发生在上述出口管的壁上。

2、如权利要求1所述的节流阀，其特征在于，上述尖头部的上述轮廓形状由一个指数方程决定。

3、如权利要求1或2所述的节流阀，其特征在于，上述尖头部的轮廓形状由以下的指数方程决定：

Y=A+ ((V-A))/(_UWU/(V-A)) × (U-X)^(WU/V-A)

式中：A＝D/2，其中D为阀塞尖端的直径;

V＝S×C₁;

U＝S×C₂;

其中C₁和C₂为常数，C₁＝0.1～5.0，C₂＝0.5～5.0;

S为内阀座最小直径处与阀塞中心轴线之间的距离;

W＝C₃，其中C₃＝0.1～2.0;

X为冲程，该冲程等于阀的公称尺寸。

4、如权利要求1所述的节流阀，其特征在于，所述实封机构包含一个外环形阀座和一个插入该外环形阀座的内环形阀座。

5、如权利要求4所述的节流阀，其特征在于，所述外环形阀座焊接到上述阀体上。

6、如权利要求1所述的节流阀，其特征在于，所述可伸缩的阀塞表面涂有高耐磨材料。

7、如权利要求6所述的节流阀，其特征在于，所述的高耐磨材料为碳化钨或碳化铬。

8、如权利要求1所述的节流阀，其特征在于，它还具有一个与上述阀体相连接的阀帽，该阀帽大致横交于上述进口管和出口管，并带有一个用来夹持可伸缩的阀塞的导槽。