CN103939629B - 高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构 - Google Patents

高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，其技术方案是：固定环安装固定在阀杆的下端外圆上，内阀芯组合件通过固定环安装连接在阀杆下端；在阀杆的外圆上设置有环形凸台，下弹簧预紧并套装在阀杆的环形凸台与内阀芯组合件之间。外阀芯的下段内孔套围于内阀芯的外圆，两者在阀门关紧过程中有沿轴向的相对运动，密封圈位于两者之间；外阀芯的上端平台位于阀杆环形凸台的上侧，弹簧止推圈固定在阀杆上，上弹簧则预紧并套装在弹簧止推圈与外阀芯的上平面之间。在阀芯盖和外阀芯的上端分别开有多个平衡孔。本技术方案的优点：能够使阀门获得较强的密封能力，减少密封面的冲刷和气蚀破坏，同时能提高阀门的使用可靠性，延长阀门的使用寿命。

Description

高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构
技术领域
本发明涉及一种阀门结构，具体涉及一种高压差阀门的双密封阀芯结构。
背景技术
高压差阀门往往是电站、石化等行业的机组和系统中的重要阀门和关键阀门，其使用性能和可靠性对机组和系统的安全和稳定运行有着至关重要的影响。如火力发电厂水汽循环系统中安装使用的给水再循环调节阀、减温水调节阀、对空排汽阀、汽机旁路阀等，其使用工况均为高压差工况。由于高压差阀门的密封面两侧存在很高的压差，如果密封面的密封能力不够而出现泄漏现象，则泄漏通道内的介质会达到很高的流速，从而给密封面带来冲刷破坏，进一步加剧泄漏进而使密封面完全失效；当阀门处于特定的使用工况时，有时还需要考虑气蚀对阀门和密封面的影响，这种更为严苛的工况条件对阀门密封面的设计制造则提出了更高的要求。如电厂给水系统中使用的再循环调节阀(最小流量阀)，入口介质为压力高达数十MPa的高压给水，而出口侧参数则为压力1MPa左右且接近饱和的水(除氧器的参数)，如果密封面存在泄漏，则泄漏通道内流动的必然是体积已膨胀、流速极高的汽态介质，除了会对密封面产生较强烈的冲刷破坏外，更为严重的是，泄漏至密封面出口侧的汽态介质必然会再转化为液态，即这类阀门只要密封面有泄漏则必然会在密封面出口侧附近产生空化和汽蚀破坏，使阀门的密封面在较短的时间内完全失去密封能力。因此，这类阀门需要有很好的密封能力和密封可靠性，而调节类阀门由于驱动装置的轴向推力相对偏小，因而对阀门的设计制造提出了很高的要求。
对于这类阀门，需要在密封结构的设计上有针对性地进行新的设计。目前在这类阀门密封面的设计方面所采取的方式主要有以下几种：
采取加压式阀芯设计。这一设计思路实施相对简单，因而应用较广泛，以美国CCI的产品最具代表性。其工作原理是通过流关型的流向设计使处于关闭位置的阀芯受到介质压力的作用而使其密封能力得到增强。由于多种因素的影响，这一方式在实际应用中已被证明其密封可靠性并不理想：一是由于密封面为单一的金属密封面，当阀门在关闭状态有杂质卡滞在金属密封面上导致密封面关闭不严密时，密封面会因泄漏介质的冲刷破坏而使阀门的密封能力下降；二是平衡型的阀芯仅依靠一个弹性蓄能密封圈来实现密封，由于塑料材质的弹性蓄能密封圈其使用性能和可靠性会受到阀门工作温度的影响，这也会导致阀门的密封可靠性不佳。
美国Masoneilan(梅索尼兰)公司的高压差调节阀产品，当阀门的密封性要求较高时，采用在阀座上的金属硬密封面的内侧同时滚嵌软密封圈的硬软密封结合的结构，阀门的密封能力比单一的金属密封要强一些，但该结构在使用方面也存在一些不足之处：一是由于软密封材料的受压蠕变，阀门的软密封面和硬密封面难以在长期的使用中始终都能同时维持较理想的吻合状态和足够的密封比压；二是当阀芯接近关闭状态时，抗冲刷能力较差的软密封面会承受相对更多的高速流动介质的冲刷从而影响其密封性能。
日本CCI KK公司(原日本ABB KK公司)，其给水再循环调节阀的密封面结构，同样是采用在阀座硬密封面的内侧设置异型的软密封圈的硬软密封结合的结构，与美国Masoneilan公司结构不同的是，该结构在阀门关闭后异型软密封圈能够依靠介质压力涨紧而贴合在阀芯密封面上，其密封可靠性和密封寿命相对要高一些，但其不足之处同样是阀芯关闭阶段，软密封面会首当其冲地受到高速流动介质的冲刷；另外，该结构其密封可靠性与介质的清洁度有较大关系，因而也不适合国内电厂使用。
德国HORA(霍尔特)公司的给水泵最小流量阀(如图1所示)，阀门密封采用主副密封面结构，主、副密封面均为金属硬密封；阀门关闭和开启时，主副密封面的动作时间错开，通过副密封面来保护主密封面在没有介质高速流动冲刷和汽蚀的状态下启闭，同时也通过双重密封来增强阀门的密封能力。该结构由于机械结构过于复杂，当介质中存在杂质时，容易引起阀芯动作的卡滞，同时主副密封面均为金属硬密封面时其密封可靠性也更容易受到介质中存在的杂质的影响。
美国Copes-Vulcan公司的高压差最小流量调节阀，采用双阀芯联动、软硬双密封面结构(如图2所示)，阀门关闭时，内阀芯(硬密封)在外阀芯(软密封)之前先关闭，以保护软密封面关闭时免受冲刷破坏，阀门关闭后软、硬两个密封面共同形成密封的“双保险”。该结构的缺点有三个：一是内阀芯的金属密封面关闭时需要的较大的密封力仅由几个小弹簧的弹簧力加上介质作用在内阀芯上的有限的上、下压力差来构成，硬密封面的密封能力相对不足；二是固定内阀芯和弹簧的几个螺栓为了可靠防松上部采用焊死结构，维修时阀芯拆解不方便；三是虽然阀芯为平衡型阀芯，关闭时介质作用力对硬、软密封面的密封不致产生破坏作用，但也不能像采用流关型设计的加压式阀芯那样借助介质压力的作用而使阀门的密封能力得到增强。
发明内容
为了克服现有结构所存在的上述的一些不足之处，本发明提供了一种能够使高压差阀门具有更好的密封性能和密封可靠性的双密封联动先导阀芯结构。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，它包括阀座、软密封圈、内阀芯、密封圈、固定环、阀芯盖、外阀芯、下弹簧、上弹簧、阀杆和弹簧止推圈。软密封圈安装固定于阀座的硬密封面的外侧；在内阀芯的外圆下端设置有关闭时与阀座的硬密封面吻合的阀芯外密封面，在内阀芯的中心部位的先导平衡孔的上口设置有关闭时与阀杆下端的阀杆先导密封面吻合的阀芯内密封面；外阀芯为上端带平台的圆筒形，其下端面则为关闭时与软密封圈吻合的密封面。本技术方案的主要技术关键在于：固定环安装固定在阀杆的下端外圆上，内阀芯和阀芯盖的组合体通过固定环安装连接在阀杆下端；在阀杆的外圆上设置有环形凸台，下弹簧预紧并套装在阀杆的环形凸台的下平面与阀芯盖的上平面之间；外阀芯的下段内孔套围于内阀芯的外圆，两者在阀门关紧过程中有沿轴向的相对运动，密封圈位于两者之间，而外阀芯的上端平台则位于阀杆的环形凸台的上侧，弹簧止推圈固定在阀杆上，上弹簧则预紧并套装在弹簧止推圈与外阀芯的上平面之间。在阀芯盖和外阀芯的上端平台上，均分别开有多个连通上下空间的平衡孔。
对于阀芯盖与内阀芯的连接方式，本发明附加了下述两个进一步的技术方案：
阀芯盖以螺纹与内阀芯连接接合并将密封圈固定于两者之间。
阀芯盖与内阀芯以多个螺钉或螺栓连接接合并将密封圈固定于两者之间。
对于固定环与阀杆的连接方式，本发明附加了下述两个进一步的技术方案：
固定环为对开环型式，在阀杆的下端外圆上设有环形槽，用于嵌装对开环型式的固定环，内阀芯和阀芯盖的组合体通过固定环安装连接在阀杆下端。
固定环以螺纹连接旋合、固定在阀杆的下端外圆上，内阀芯和阀芯盖的组合体通过固定环安装连接在阀杆下端。
对于弹簧止推圈在阀杆上的安装固定方式，本发明也附加了下述两个进一步的技术方案：
增加对开环：在阀杆位于弹簧止推圈上侧的外圆处设置环形槽并在槽内嵌装对开环，作为对弹簧止推圈和上弹簧的上平面沿轴向向上的止推限位。
弹簧止推圈以螺纹连接旋合、固定在阀杆上，作为对上弹簧的上平面沿轴向向上的止推限位。
本发明另外还附加了下述三个进一步的技术方案：
下弹簧和上弹簧，可以为碟形弹簧组，也可以为圆柱螺旋弹簧。
密封圈为内部带有金属蓄能弹簧的弹簧蓄能密封圈。
阀杆上的环形凸台，可以是在阀杆上直接加工形成，也可以是另外加工的零件安装固定上去形成。
本发明的有益效果是：能够在驱动装置仅能提供相对偏小的轴向推力的前提下，使阀门具有较强的密封能力，减少因泄漏导致的密封面的冲刷和气蚀破坏，同时能提高阀门的使用可靠性，延长阀门的使用寿命。
附图说明
图1是德国HORA公司的高压差最小流量调节阀阀内结构示意图。
图2是美国Copes-Vulcan公司的高压差最小流量调节阀阀内结构示意图。
图3是本发明所提出的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构的一个技术实施方案当阀芯处于阀门开启和运行状态时的示意图。
图4是本发明所提出的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构的一个技术实施方案的关闭过程示意图-内阀芯密封面到达关闭位置。
图5是本发明所提出的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构的一个技术实施方案的关闭过程示意图-外阀芯密封面到达关闭位置。
图6是本发明所提出的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构的一个技术实施方案的关闭过程示意图-阀杆先导密封面到达关闭位置。
图7是本发明针对几个局部结构所附加的相关的技术实施方案的示意图。
图中，1、阀座；1-1、硬密封面；2、软密封圈；3、内阀芯；3-1、阀芯外密封面；3-2、阀芯内密封面；4、密封圈；5、固定环；6、阀芯盖；7、外阀芯；8、下弹簧；9、阀杆；9-1、阀杆先导密封面；9-2、环形凸台；10、上弹簧；11、弹簧止推圈；12、对开环。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的阐述。
如图3～图6所示，是本发明所提出的双密封联动先导阀芯结构应用于火电站高压差最小流量调节阀的结构设计的技术方案示意图。阀门为上进下出的流关型的介质流向设计。
该阀门的整体阀芯组件结构设置有两个阀芯：外阀芯(7)和内阀芯(3)，外阀芯(7)为上端带平台的圆筒形，其下端面为关闭时与安装固定于阀座(1)的硬密封面(1-1)外侧的软密封圈(2)吻合的密封面，内阀芯(3)的外圆下端设置有关闭时与阀座(1)的硬密封面(1-1)吻合的阀芯外密封面(3-1)，在内阀芯(3)的中心部位的先导平衡孔的上口设置有关闭时与阀杆(9)下端的阀杆先导密封面(9-1)吻合的阀芯内密封面(3-2)。内阀芯组合件由内阀芯(3)和阀芯盖(6)以及密封圈(4)等组成，阀芯盖(6)以螺纹与内阀芯(3)连接接合并将密封圈(4)固定于两者之间，密封圈(4)为内部带有金属蓄能弹簧的弹簧蓄能密封圈；内阀芯组合件通过固定环(5)安装连接在阀杆(9)下端，固定环(5)为对开环型式，在阀杆(9)的下端外圆上设有环形槽，用于嵌装对开环型式的固定环(5)。在阀杆(9)的外圆上设置有环形凸台(9-2)，下弹簧(8)为碟形弹簧组，预紧并套装在阀杆(9)的环形凸台(9-2)的下平面与内阀芯组合件之间。外阀芯(7)的下段内孔套围于内阀芯(3)的外圆，两者在阀门关紧过程中有沿轴向的相对运动，密封圈(4)位于两者之间，而外阀芯(7)的上端平台则位于阀杆(9)的环形凸台(9-2)的上侧。弹簧止推圈(11)通过嵌装在阀杆(9)上的环形槽内的对开环(12)而固定在阀杆(9)上；弹簧止推圈(11)和阀杆(9)外圆上设置的环形凸台(9-2)，分别用作上弹簧(10)和下弹簧(8)的上平面沿轴向向上的止推限位，环形凸台(9-2)的上平面亦作为外阀芯(7)沿轴向向下的止靠定位平面；上弹簧(10)同样为碟形弹簧组，预紧并套装在弹簧止推圈(11)与外阀芯(7)的上平面之间。此外，在阀芯盖(6)和外阀芯(7)的上端平台上，均分别开有多个连通上下空间的平衡孔。
上弹簧(10)和下弹簧(8)经预紧、装配后，分别对外阀芯(7)和内阀芯组合件产生沿轴向向下的推力。
当阀芯开启和处于运行状态时(如图3所示)，外阀芯(7)在上弹簧(10)的推力作用下，其内腔上端的止靠定位平面与阀杆(9)外圆上的环形凸台(9-2)的上平面贴合，而内阀芯组合件也在下弹簧(8)的推力作用下，其阀芯盖(6)内腔上端的止靠定位平面与固定在阀杆(9)上的固定环(5)的上平面贴合，外阀芯(7)和内阀芯组合件会随阀杆(9)一起上下运动；同时，阀杆(9)下端的阀杆先导密封面(9-1)与阀芯内密封面(3-2)之间处于全开状态(开启高度h)，使整体阀芯组件成为平衡型阀芯，减小了阀门的操作力。
当阀门关闭时，内阀芯(3)上的阀芯外密封面(3-1)首先与阀座(1)上的硬密封面(1-1)接触(如图4所示)，此时外阀芯(7)下端的密封面尚未与软密封圈(2)接触(距离为a)，即硬密封面先于软密封面关闭。在此过程中，接近关闭状态时高流速介质的节流冲刷基本由金属的硬密封面来承担，从而有效保护了抗冲刷能力较弱的软密封面。
随着阀杆(9)的继续下移(内阀芯组合件不动)，外阀芯(7)也跟随阀杆(9)上的环形凸台(9-2)下移而使其下端的密封面与软密封圈(2)接触(如图5所示)，硬密封面和软密封面均到达关闭位置。此时，阀杆先导密封面(9-1)与阀芯内密封面(3-2)之间的开度由h减小为h-a，而固定环(5)的上平面也离开阀芯盖(6)内腔上端的止靠定位平面距离为a。
阀杆(9)继续下移(内阀芯组合件和外阀芯(7)均不动)，阀杆先导密封面(9-1)到达关闭位置与阀芯内密封面(3-2)吻合并压紧，阀杆(9)停止运动(如图6所示)，阀门关闭动作完成。此时，固定环(5)的上平面与阀芯盖(6)内腔上端的止靠定位平面的距离增大为h，而阀杆(9)上的环形凸台(9-2)的上平面也离开外阀芯(7)内腔上端的止靠定位平面距离为h-a。
由于阀门介质流向采用了上进下出的流关型的流向设计，因此阀门关闭后，外阀芯(7)和内阀芯(3)均同时受到介质向下的作用力，从而使阀门的密封能力得到了较大的增强。外阀芯(7)受到的介质向下的作用力为其密封面中心圆与密封圈(4)外圆之间的圆环面积乘以介质压力，该作用力再加上上弹簧(10)的弹簧力即构成外阀芯(7)的密封力；而内阀芯(3)受到的介质向下的作用力为其外圆与阀芯内密封面(3-2)和阀杆先导密封面(9-1)接触圆之间的圆环面积乘以介质压力。
与采用多个较小的圆柱螺旋弹簧对阀芯加载推力的方式相比，本技术方案的上弹簧(10)和下弹簧(8)采用碟形弹簧，可防止在阀门快速启闭时由于瞬间冲击所导致的弹簧断裂现象发生，提高了阀门的使用可靠性。
上述技术方案中，一些局部结构根据需要也可以采取其它的方案来实施(如图7所示)：
对于口径较大的阀门，阀芯盖与内阀芯也可以采用以多个螺钉或螺栓来连接的方式并将密封圈固定于两者之间。
固定环也可以采用以螺纹连接旋合、固定在阀杆的下端外圆上。
弹簧止推圈同样也可以采用以螺纹连接旋合、固定在阀杆上。
上弹簧和下弹簧必要时也可以采用圆柱螺旋弹簧。
阀杆上的环形凸台，可以是在阀杆上直接加工形成，也可以是另外加工的零件安装固定上去形成。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。本技术领域的技术人员应该知晓，本发明不受上述实施例的限制，其保护范围由所附的权利要求书所界定，任何在不超出本发明权利要求书所界定的范围内的各种改动、变型所形成的技术方案，都没有偏离本发明的精神和技术实质，仍然会属于本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，它包括阀座(1)、软密封圈(2)、内阀芯(3)、密封圈(4)、固定环(5)、阀芯盖(6)、外阀芯(7)、下弹簧(8)、上弹簧(10)、阀杆(9)和弹簧止推圈(11)；软密封圈(2)安装固定于阀座(1)的硬密封面(1-1)的外侧；在内阀芯(3)的外圆下端设置有关闭时与阀座(1)的硬密封面(1-1)吻合的阀芯外密封面(3-1)，在内阀芯(3)的中心部位的先导平衡孔的上口设置有关闭时与阀杆(9)下端的阀杆先导密封面(9-1)吻合的阀芯内密封面(3-2)；外阀芯(7)为上端带平台的圆筒形，其下端有一表面为关闭时与软密封圈(2)吻合的密封面；其特征在于：固定环(5)安装固定在阀杆(9)的下端外圆上，内阀芯(3)和阀芯盖(6)的组合体通过固定环(5)安装连接在阀杆(9)下端；在阀杆(9)的外圆上设置有环形凸台(9-2)，下弹簧(8)预紧并套装在阀杆(9)的环形凸台(9-2)的下平面与阀芯盖(6)的上平面之间；外阀芯(7)的下段内孔套围于内阀芯(3)的外圆，两者在阀门关紧过程中有沿轴向的相对运动，密封圈(4)位于两者之间，而外阀芯(7)的上端平台则位于阀杆(9)的环形凸台(9-2)的上侧，弹簧止推圈(11)固定在阀杆(9)上，上弹簧(10)则预紧并套装在弹簧止推圈(11)与外阀芯(7)的上平面之间；在阀芯盖(6)和外阀芯(7)的上端平台上，均分别开有多个连通上下空间的平衡孔。
2.根据权利要求1所述的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，其特征在于：阀芯盖(6)以螺纹与内阀芯(3)连接接合并将密封圈(4)固定于两者之间。
3.根据权利要求1所述的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，其特征在于：阀芯盖(6)与内阀芯(3)以多个螺钉或螺栓连接接合并将密封圈(4)固定于两者之间。
4.根据权利要求1所述的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，其特征在于：固定环(5)为对开环型式，在阀杆(9)的下端外圆上设有环形槽，用于嵌装对开环型式的固定环(5)，内阀芯(3)和阀芯盖(6)的组合体通过固定环(5)安装连接在阀杆(9)下端。
5.根据权利要求1所述的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，其特征在于：固定环(5)以螺纹连接旋合、固定在阀杆(9)的下端外圆上，内阀芯(3)和阀芯盖(6)的组合体通过固定环(5)安装连接在阀杆(9)下端。
6.根据权利要求1所述的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，还包括对开环(12)，其特征在于：在阀杆(9)位于弹簧止推圈(11)上侧的外圆处设有环形槽并在槽内嵌装对开环(12)，作为对弹簧止推圈(11)和上弹簧(10)的上平面沿轴向向上的止推限位。
7.根据权利要求1所述的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，其特征在于：弹簧止推圈(11)以螺纹连接旋合、固定在阀杆(9)上，作为对上弹簧(10)的上平面沿轴向向上的止推限位。
8.根据权利要求1所述的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，其特征在于：下弹簧(8)和上弹簧(10)，可以为碟形弹簧组，也可以为圆柱螺旋弹簧。
9.根据权利要求1所述的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，其特征在于：密封圈(4)为内部带有金属蓄能弹簧的弹簧蓄能密封圈。
10.根据权利要求1所述的高压差阀门的双密封联动先导阀芯结构，其特征在于：阀杆(9)上的环形凸台(9-2)，可以是在阀杆(9)上直接加工形成，也可以是另外加工的零件安装固定上去形成。
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