CN111365464A - 一种自动式高压蒸汽流量调节装置 - Google Patents

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张于峰
王晓燕
李晓琼
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Abstract

本发明公开了自动式高压蒸汽流量调节装置，包括阀体、阀杆和工控机，阀杆的前端穿过阀体进入阀体内并设有阀芯，阀芯是椭锥形阀芯，椭锥形阀芯的后侧为椭圆部分，前侧为圆锥部分；阀口采用缩放式阀口，其中间位置是喉部，椭锥形阀芯的最大直径与喉部的直径相等；喉部的前面为渐缩段，后面是渐扩段；阀杆后端通过传动滚筒与电机相连，电机电连有与运动控制卡电连的电机驱动器，阀杆后端轴段上设有轴向导向螺钉和与运动控制卡电连的直线位移传感器，运动控制卡连接至工控机；电机带动阀芯轴向位移，从而实现系统中高压蒸汽流量的自动调节。本发明结构简单，自动调节，精度高，阀体与阀杆间密封性好，避免了阀芯因空化引起汽蚀严重，成本高等问题。

Description

一种自动式高压蒸汽流量调节装置
技术领域
本发明属于流量调节技术领域，尤其涉及一种高压蒸汽流量调节装置。
背景技术
蒸汽流量调节装置主要是通过调节阀芯的位置来控制阀口处有效流通截面积，从而进一步控制出口处的蒸汽流量。但现有的流量调节装置的阀体与调节杆之间多采用单头螺纹或双头螺纹连接，螺纹连接自锁能力较大，在操作时需要消耗较大的力量才可以克服螺纹连接的自锁力转动调节杆，这样就需要阀体与调节杆之间保持良好的润滑，经常需要添加润滑油，增加额外的成本和工作量。又因螺纹用在蒸汽管道内，容易产生锈蚀；且调节杆与阀体之间采用径向密封，在高压差作用下密封效果差，容易产生泄露；另外，现有流量调节阀的阀芯受蒸汽冲蚀较为严重，特别在高压差作用下，阀芯因空化引起的汽蚀造成磨损比较严重。
综上，现有蒸汽流量调节装置普遍存在结构复杂，流量调节繁琐，螺纹自锁能力大，手动调节困难，调节杆与阀体之间采用径向密封，密封效果难以保证，容易产生泄露，调节精度差，难以在全行程范围内有效地调节蒸汽流量，且存在振动和冲蚀，寿命短等问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提出一种自动式高压蒸汽流量调节装置的整体结构设计及其流量调节控制方式，阀芯采用椭锥形结构的滑块调节蒸汽的有效流通面积，着重提出缩放式阀口的设计、椭锥形阀芯的设计以及轴向唇形密封的设计。
为了解决现有高压蒸汽流量调节装置结构复杂，因螺纹自锁能力大造成手动调节困难，调节精度差，阀体与阀杆间密封性差、阀芯因空化引起汽蚀严重，成本高等问题，本发明提出的一种自动式高压蒸汽流量调节装置，包括阀体、阀杆和工控机，所述阀杆的后端位于阀体的外部，所述阀杆的前端穿过阀体进入所述阀体内，所述阀杆与所述阀体之间设有密封件，所述阀杆的前端设有阀芯，所述阀芯是椭锥形阀芯，所述椭锥形阀芯与阀杆连接的后侧为椭圆部分，所述椭锥形阀芯的前侧为圆锥部分；所述椭锥形阀芯的最大直径为d1，所述阀体内与所述椭锥形阀芯配合的阀口采用缩放式阀口，所述缩放式阀口的中间位置是喉部，所述喉部的直径为d0，d0＝d1；所述喉部的前面为渐缩段，所述喉部的后面是渐扩段；所述阀杆后端通过传动滚筒与电机相连，所述电机电连有电机驱动器，所述阀杆后端轴段上设有直线位移传感器和轴向导向螺钉，所述直线位移传感器和电机驱动器均与一运动控制卡电连，所述运动控制卡连接至所述工控机；所述电机带动所述阀杆和所述椭锥形阀芯轴向位移，从而实现系统中高压蒸汽流量的自动调节。
进一步讲，本发明所述的自动式高压蒸汽流量调节装置，其中，
所述阀杆与所述阀体之间的密封件采用唇形密封圈。
所述渐缩段的内表面与所述椭锥形阀芯前端圆锥的外表面的形状相吻合。
所述电机采用伺服电机，根据输入信号控制。
所述椭锥形阀芯与所述阀杆制成一体，并采用304不锈钢制作。
本发明中，根据需求确定所述椭锥形阀芯前侧圆锥部分的轴向长度L1和所述椭锥形阀芯后侧椭圆部分的轴向长度L2。
本发明中，所述工控机根据所需要的蒸汽流量Q，按照式(1)计算阀口喉部处的有效流通面积A：
A＝Q/a (1)
式(1)中，Q代表蒸汽流量，单位为m3/s；a代表在喉部处蒸汽的临界速度，等于当地声速的实际速度，单位为m/s；通过式(2)计算a：
Figure BDA0002425812490000021
式(2)中，k代表气体的绝热指数；p0代表滞止压力，即气体在绝热状态下的压力，单位为Pa；v0代表在滞止状态下的比容，单位为m3/kg；
根据阀口喉部处的有效流通面积A，通过式(3)计算出椭锥形阀芯的直径d
Figure BDA0002425812490000022
式(3)中，d0代表喉部的直径，单位为m，d代表椭锥形阀芯的直径，单位为m；
根据三角形相似原理，按照式(4)确定阀杆前进或后退的位移L：
Figure BDA0002425812490000023
式(4)中，d代表椭锥形阀芯的直径，单位为m；d1代表椭锥形阀芯的最大直径，单位为m；L1代表椭锥形阀芯前侧圆锥部分的轴向长度，单位为m。
在工控机的控制下，所述电机带动所述阀杆轴向位移，当所述椭锥形阀芯完全进入喉部时，所述喉部被所述椭锥形阀芯封闭，此时，流量为0；当所述椭锥形阀芯完全退出喉部时，所述喉部完全通畅，此时，通过的流量最大。
所述直线位移传感器反馈所述阀杆的位置数据，并由所述运动控制卡采集，由工控机中的程序解算后，由所述运动控制卡发射脉冲信号或模拟量给所述电机驱动器，从而控制所述电机转动，并通过所述传动滚筒和轴向导向螺钉转化为所述阀杆的直线运动。
通过第一法兰盘和第二法兰盘将本发明的自动式高压蒸汽流量调节装置连接在系统的蒸气管道的进出口之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明中的阀芯采用椭锥形结构设计，在该椭锥形阀芯的缩放型阀口处可使高压蒸汽流体产生壅塞效应，该效应可有效起到稳定调节流量的目的，椭锥形阀芯左侧椭圆形结构的设计主要是为减少高速气流阻力，椭锥形阀芯右侧锥形结构设计是主要起调节流量的作用；该椭锥形阀芯结构简单，采用304不锈钢抗磨损，可减少所述高压蒸汽流量调节装置的维修量。
2)本发明中，将椭锥形阀芯的阀口设计成缩放式，一方面可使高压蒸汽气体的流速升至超音速，降低阀口出口处气体的压力，使其降压效果更显著，使其压力和流量调节范围更广；另一方面，因为缩放式阀口的长度有限，而流体的速度很大，气流通过阀口的时间极短，因而与外界交换的热量极少，该过程可认为是绝热过程，即采用这种结构的阀口可使高压蒸汽的能量损失降到最低。
3)本发明中，采用轴向唇形密封可有效起到密封防止高压蒸汽泄露的作用。
4)本发明中设置的电机有利于自动实现流量调节，可克服传统单螺纹或双螺纹因自锁力较大而造成操作时比较费力这一弊端。
5)本发明中设置的工控机、直线位移传感器、运动控制卡以及电机驱动器，有利于调节装置流量的智能调节和控制。
附图说明
图1是本发明自动式高压蒸汽流量调节装置的结构示意图；
图2是图1中所示椭锥形阀芯的放大图；
图3是图1中所示中缩放型阀口部位的放大示意图。
图中：
1-阀体 2-阀杆 3-椭锥形阀芯 4-直线位移传感器
5-工控机 6-电机驱动器 7-电机 8-传动滚筒
9-轴向导向螺钉 10-唇形密封圈 11-第一法兰盘 12-缩放型阀口
13-喉部 14-第二法兰盘 15-运动控制卡
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
本发明技术方案的设计思路是：在调节阀的喉部采用椭锥形阀芯结构的滑块调节蒸汽的有效流通面积，主要涉及椭锥形阀芯、缩放式阀口以及调节装置的整体结构设计。
如图1所示，本发明提出的一种自动式高压蒸汽流量调节装置，通过第一法兰盘11和第二法兰盘14将本发明的自动式高压蒸汽流量调节装置连接在系统的管道上，该自动式高压蒸汽流量调节包括阀体1、阀杆2和工控机5，所述阀杆2的后端位于阀体1的外部，所述阀杆2的前端穿过阀体1进入所述阀体1内，所述阀杆2与所述阀体1之间设有密封件，该密封件的形式采用唇形密封圈10；所述阀杆2的前端设有阀芯，所述阀芯是椭锥形阀芯3，所述椭锥形阀芯3与阀杆1连接的后侧为椭圆部分，所述椭锥形阀芯3的前侧为圆锥部分；所述椭锥形阀芯3的最大直径为d1；如图2所示，根据需求确定所述椭锥形阀芯3前侧圆锥部分的轴向长度L1和所述椭锥形阀芯3后侧椭圆部分的轴向长度L2。所述椭锥形阀芯3与所述阀杆2制成一体，并采用304不锈钢制作。
所述阀体1内与所述椭锥形阀芯3配合的阀口采用缩放式阀口12，所述缩放式阀口12的中间位置是喉部13，所述喉部13的直径为d0，d0＝d1，如图2所示；所述喉部13的前面为渐缩段，所述渐缩段的内表面与所述椭锥形阀芯3前端圆锥的外表面的形状相吻合；所述喉部13的后面是渐扩段，如图1和图3所示。
所述阀杆2后端通过传动滚筒8与电机7相连，所述电机7电连有电机驱动器6，所述电机7采用伺服电机，根据输入信号控制。所述阀杆2后端轴段上设有直线位移传感器4和轴向导向螺钉9。
所述直线位移传感器4和电机驱动器6均与一运动控制卡15电连，所述运动控制卡15连接至所述工控机5；所述工控机5根据所需要的蒸汽流量Q，按照式(1)计算阀口喉部处的有效流通面积A：A＝Q/a (1)
式(1)中，Q代表蒸汽流量，单位为m3/s；a代表在喉部处蒸汽的临界速度，等于当地声速的实际速度，单位为m/s；通过式(2)计算a：
Figure BDA0002425812490000041
式(2)中，k代表气体的绝热指数；p0代表滞止压力，即气体在绝热状态下的压力，单位为Pa；v0代表在滞止状态下的比容，单位为m3/kg；
根据阀口喉部处的有效流通面积A，通过式(3)计算出椭锥形阀芯的直径d
Figure BDA0002425812490000042
式(3)中，d0为喉部13的直径，单位为m；d代表椭锥形阀芯的直径，单位为m，。
根据三角形相似原理，按照式(4)确定阀杆2前进或后退的位移L：
Figure BDA0002425812490000051
式(4)中，d代表椭锥形阀芯的直径，单位为m；d1代表椭锥形阀芯3的最大直径，单位为m，d1取与d0相等；L1代表椭锥形阀芯3前侧圆锥部分的轴向长度，单位为m。
在工控机5的控制下，所述电机7带动所述阀杆2轴向位移，当所述椭锥形阀芯3完全进入喉部13时，所述喉部13被所述椭锥形阀芯3封闭，此时，流量为0；当所述椭锥形阀芯3完全退出喉部13时，所述喉部13完全通畅，此时，通过的流量最大。
所述直线位移传感器4反馈所述阀杆2的位置数据，并由所述运动控制卡15采集，由工控机5中的程序解算后，由所述运动控制卡15发射脉冲信号或模拟量给所述电机驱动器6，从而控制所述电机7转动，并通过所述传动滚筒8和轴向导向螺钉9转化为所述阀杆2的直线运动，即所述电机7带动所述阀杆2和所述椭锥形阀芯3轴向位移，从而实现系统中高压蒸汽流量的自动调节。
实施例一、本发明中椭锥形阀芯3的设计。
以缩放式阀口的喉部13入口为基准，椭锥形阀芯3的最大直径d1和缩放式阀口的喉部直径d0相等，即：d1＝d0，如图2所示。
当椭锥形阀芯3完全进入喉部13时，喉部13完全被阀芯堵死，此时可通过的流量最小为0；当椭锥形阀芯3完全退出喉部13时，喉部面积完全被释放，此时可通过的流量最大。如图2所示，本专业的技术人员根据缩放式阀口的实际尺寸结构可以确定所述椭锥形阀芯3前侧圆锥部分的轴向长度L1和所述椭锥形阀芯3后侧椭圆部分的轴向长度L2，在此不再赘述。所述椭锥形阀芯3进入缩放式阀口的喉部13的部分以轴向剖面为三角形的形式，即前侧圆锥部分设计，另一部分即后侧为椭圆结构，起调节作用的主要为三角形部分，椭圆部分是为了减小高速气流对椭锥形阀芯3的冲击。用户可根据需求在工控机5中输入所需要的蒸汽流量Q，可根据公式A＝Q/a计算出阀口13处的有效流通面积A，其中，a代表在喉部处蒸汽的临界速度，等于当地声速的实际速度，在确定了有效流通面积A后，再根据
Figure BDA0002425812490000052
确定椭锥形阀芯3在喉部13处的直径，最后根据三角形相似原理确定阀杆2前进或后退的位移。
依据上述理论开发工控机5中的控制程序，通过工控机5中的控制程序控制运动控制卡15，运动控制卡15集成连接电机驱动器6及直线位移传感器4；直线位移传感器4可反馈阀杆2的精确位置数据，该数据为模拟量，可由运动控制卡15采集，由上位机程序解算后，运动控制卡15发射脉冲信号或模拟量给电机驱动器6，实现电机7的精确控制，电机7的转动通过传动滚筒8和导向螺钉9转化为阀杆2的直线运动，即电机7带动阀杆2和椭锥形阀芯3向左或者向右运动，从而实现系统中高压蒸汽流量的自动调节。
本发明中阀体1内部阀口采用缩放式阀口12。由于高压蒸汽通过阀口时流速一般都较高，高压蒸汽进入阀口的渐缩段时开始加速，在喉部13处气体流速加速到该状态下当地的音速，气流从进入阀口到流出阀口的时间极短，因而和外界交换的热量极少，可以忽略不计。从喉部13到后面渐扩段蒸汽流速会继续增加至超音速，流体的压力会继续减低到一个比较小的值。所述阀口12的结构设计不仅可以起到调节流量的目的，同时也会起到节流降压的效果，而且降压幅度比渐缩型阀口结构大，即该所述结构的阀口节流降压的范围更广。
实施例二、本发明高压蒸汽流量调节装置的整体结构设计
如图1所示，该高压蒸汽流量调节装置包括阀体1，阀杆2，椭锥形阀芯3，喉部13，缩放型阀口12，唇形密封圈10，电机7(为伺服电机)，导向螺钉9，传动滚筒8，工控机5，运动控制卡15，伺服电机驱动器6，直线位移传感器4，两个法兰盘，即第一法兰盘11和第二法兰盘14。
所述阀体1通过第一法兰盘11和第二法兰盘14连接蒸汽进出口；所述唇形密封圈10设置在阀体1与阀杆2的连接处；所述椭锥形阀芯3设置在阀体内部并与阀杆2连为一体；所述缩放型阀口12设置在阀体内部；阀口的喉部13是缩放型阀口12渐缩与渐扩部分的连接位置，如图3所示；所述阀杆2沿阀体轴线布置；所述轴向导向螺钉9固定在阀杆2上，并位于阀体1的外侧，起导向作用，可将伺服电机的旋转运动转化为阀杆2的直线运动；所述的传动滚筒8固定在阀杆2上，位于伺服电机和轴向导向螺钉9之间，起到传递力和扭矩的作用；所述伺服电机固定在阀杆2的最左侧，是整个流量调节阀的动力输入部件；所述的直线位移传感器4位于阀杆2上，起到反馈阀芯3位置的作用；所述工控机5、运动控制卡15和伺服电机驱动器6属于高压蒸汽流量阀的控制部分，位于阀体1的外侧，并固定在阀体1的左上部；所述的电机7具体采用伺服电机，主要可以根据输入信号控制，并能快速反应，位置控制精度非常准确，可提高调节阀流量调节的准确性；所述椭锥形阀芯3采用304不锈钢制作与阀杆2制成一体。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种自动式高压蒸汽流量调节装置，包括阀体(1)、阀杆(2)和工控机(5)，所述阀杆(2)的后端位于阀体(1)的外部，所述阀杆(2)的前端穿过阀体(1)进入所述阀体(1)内，所述阀杆(2)与所述阀体(1)之间设有密封件，所述阀杆(2)的前端设有阀芯，其特征在于，
所述阀芯是椭锥形阀芯(3)，所述椭锥形阀芯(3)与阀杆(1)连接的后侧为椭圆部分，所述椭锥形阀芯(3)的前侧为圆锥部分；所述椭锥形阀芯(3)的最大直径为d1；
所述阀体(1)内与所述椭锥形阀芯(3)配合的阀口采用缩放式阀口(12)，所述缩放式阀口(12)的中间位置是喉部(13)，所述喉部(13)的直径为d0，d0＝d1；所述喉部(13)的前面为渐缩段，所述喉部(13)的后面是渐扩段；
所述阀杆(2)后端通过传动滚筒(8)与电机(7)相连，所述电机(7)电连有电机驱动器(6)，所述阀杆(2)后端轴段上设有直线位移传感器(4)和轴向导向螺钉(9)；
所述直线位移传感器(4)和电机驱动器(6)均与一运动控制卡(15)电连，所述运动控制卡(15)连接至所述工控机(5)；
所述电机(7)带动所述阀杆(2)和所述椭锥形阀芯(3)轴向位移，从而实现系统中高压蒸汽流量的自动调节。
2.根据权利要求1所述的自动式高压蒸汽流量调节装置，其特征在于，所述阀杆(2)与所述阀体(1)之间的密封件采用唇形密封圈(10)。
3.根据权利要求1所述的自动式高压蒸汽流量调节装置，其特征在于，所述渐缩段的内表面与所述椭锥形阀芯(3)前端圆锥的外表面相吻合。
4.根据权利要求1所述的自动式高压蒸汽流量调节装置，其特征在于，所述电机(7)采用伺服电机，根据输入信号控制。
5.根据权利要求1所述的自动式高压蒸汽流量调节装置，其特征在于，所述椭锥形阀芯(3)与所述阀杆(2)制成一体，并采用304不锈钢制作。
6.根据权利要求1所述的自动式高压蒸汽流量调节装置，其特征在于，根据需求确定所述椭锥形阀芯(3)前侧圆锥部分的轴向长度L1和所述椭锥形阀芯(3)后侧椭圆部分的轴向长度L2。
7.根据权利要求1所述的自动式高压蒸汽流量调节装置，其特征在于，所述工控机(5)根据所需要的蒸汽流量Q，按照式(1)计算阀口喉部处的有效流通面积A：
A＝Q/a (1)
式(1)中，Q代表蒸汽流量，单位为m3/s；a代表在喉部处蒸汽的临界速度，等于当地声速的实际速度，单位为m/s；通过式(2)计算a：
Figure FDA0002425812480000021
式(2)中，k代表气体的绝热指数；p0代表滞止压力，即气体在绝热状态下的压力，单位为Pa；v0代表在滞止状态下的比容，单位为m3/kg；
根据阀口喉部处的有效流通面积A，通过式(3)计算出椭锥形阀芯的直径d
Figure FDA0002425812480000022
式(3)中，d0代表喉部的直径，单位为m，d代表椭锥形阀芯的直径，单位为m；
根据三角形相似原理，按照式(4)确定阀杆(2)前进或后退的位移L：
Figure FDA0002425812480000023
式(4)中，d代表椭锥形阀芯的直径，单位为m；d1代表椭锥形阀芯(3)的最大直径，单位为m；L1代表椭锥形阀芯(3)前侧圆锥部分的轴向长度，单位为m。
8.根据权利要求7所述的自动式高压蒸汽流量调节装置，其特征在于，在工控机(5)的控制下，所述电机(7)带动所述阀杆(2)轴向位移，当所述椭锥形阀芯(3)完全进入喉部(13)时，所述喉部(13)被所述椭锥形阀芯(3)封闭，此时，流量为0；当所述椭锥形阀芯(3)完全退出喉部(13)时，所述喉部(13)完全通畅，此时，通过的流量最大。
9.根据权利要求1所述的自动式高压蒸汽流量调节装置，其特征在于，所述直线位移传感器(4)反馈所述阀杆(2)的位置数据，并由所述运动控制卡(15)采集，由工控机(5)中的程序解算后，由所述运动控制卡(15)发射脉冲信号或模拟量给所述电机驱动器(6)，从而控制所述电机(7)转动，并通过所述传动滚筒(8)和轴向导向螺钉(9)转化为所述阀杆(2)的直线运动。
10.根据权利要求1所述的自动式高压蒸汽流量调节装置，其特征在于，通过第一法兰盘(11)和第二法兰盘(14)将所述自动式高压蒸汽流量调节装置连接在系统的蒸气管道的进出口之间。
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