CN114198506A - 一种变调节特性的先导式阀芯结构 - Google Patents

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Abstract

一种变调节特性的先导式阀芯结构，先导头上设有内阀芯，阀芯与内阀芯配合处设置有迷宫组件和内阀芯平衡孔。阀芯活动于套筒内，内阀芯活动于迷宫组件和内阀芯平衡孔内。先导头和阀芯间设置有弹簧。此阀芯结构从全关开始动作时，内阀芯先动作，蒸汽通过套筒平衡孔进入先导头内阀芯，继而进入迷宫组件，阀门处于小流量高压降调节阶段。阀杆继续打开时，内阀芯平衡孔开始工作，此时阀芯开始打开，蒸汽从套筒的窗口流出，阀门进入大流量低压降调节阶段。本发明通过一种阀芯结构实现两段不同的调节性能，解决了蒸汽流量调节启动工况需求流通能力与正常工况需求流通能力差距很大的问题，相比现在广泛应用的大小阀并联控制阀组，大幅节约成本。

Description

一种变调节特性的先导式阀芯结构
技术领域
本发明属于阀门设计领域，涉及一种变调节特性的先导式阀芯结构。
背景技术
蒸汽流量控制阀门是热力设备的重要组成部分之一，广泛存在于电站、石油化工、冶金等工业系统中。蒸汽流量控制阀门常具有压力高流量大的特点，正常工况下阀门的压降低以节省蒸汽能源。但是也常需要小流量启动，给后续的管线和设备加热升温，严格控制后续管线和设备的升温速度，防止蒸汽阀门打开速度过快而产生热冲击，从而对后续的管线和设备造成损坏。此时蒸汽流量小、压降大，对阀门流通能力的需求远小于正常工况下。所以蒸汽流量控制阀门需要同时满足启动工况和正常工况这两种调节性能需求差异极大的工况要求。
目前常用的蒸汽流量控制是由一个大口径控制阀和一个小口径控制阀并联形成的阀组来实现的。阀组常与后续管线和设备的温度连锁控制，启动时，先开小阀，缓慢升高后续管线和设备的温度，再开大阀将蒸汽流量调节到工作流量上。但这样的分程控制，需要一个阀组，设备成本较高，并同时连锁控制两台阀门，阀门控制比较复杂。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种变调节特性的先导式阀芯结构，实现两段不同的调节性能，解决了蒸汽流量调节启动工况需求流通能力与正常工况需求流通能力差距很大的问题，阀门控制简单，设备成本低。
本发明解决技术的方案是：
一种变调节特性的先导式阀芯结构，包括阀芯、套筒、先导头、阀芯压盖、弹簧、阀座和紧定螺钉；
先导头采用一体化设计，主体为圆盘结构，圆盘结构中心处上表面设计有带有内螺纹段的凸起，下表面设计有内阀芯，内阀芯开有中空腔体，圆盘结构上设计有通孔；阀杆螺纹安装于所述圆盘结构上表面的凸起内，且阀杆以及圆盘结构上表面的凸起上均加工有销孔，销穿过所述销孔，实现阀杆与先导头的定位和紧固；
阀芯内部加工有中空腔体，迷宫组件连接在阀芯下表面，连接完成后，迷宫组件中部形成与阀芯中空腔体尺寸一致的腔体，阀芯下部侧壁打孔，形成内阀芯平衡孔；阀芯上部加工有凹槽，弹簧放置在所述凹槽中，先导头和阀杆组装后的整体结构放置于弹簧之上，且内阀芯插入到阀芯中空腔体以及迷宫组件的中部腔体中；
阀芯压盖安装在阀芯上方，与阀芯通过紧定螺钉紧固；阀芯压盖上加工有过流孔；
上述组装后的整体结构活动安装在套筒内，套筒安装在阀座上；
内阀芯为中空结构，上部设置有第二窗口；套筒下部侧壁设置有第一窗口，作为液体主流道入口，阀门全关时，阀芯能够完全堵住第一窗口；套筒上部侧壁设置有套筒平衡孔，阀门全关时，套筒平衡孔位于阀芯上方。
内阀芯上部侧壁加工成斜面，阀芯内腔上部加工成与内阀芯上部斜面相匹配的斜面，组装到位后，两者之间形成密封面。
迷宫组件由迷宫碟片垒叠而成，形成很多独立的弯折流道。
迷宫组件中各个迷宫碟片开槽，迷宫碟片垒叠在一起后，中部形成与阀芯中空腔体尺寸一致的腔体。
迷宫组件最底下一个迷宫碟片不开槽，内阀芯位于最底部时，与最后一个迷宫碟片之间形成围堰，阀门全关或接近全关时，实现全堵，防止出现缝隙流。
阀杆与执行机构连接。
所述先导式阀芯结构根据需求安装在直通型或角型阀体内。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明阀芯结构从全关开始动作时，内阀芯先动作，蒸汽通过套筒平衡孔进入先导头内阀芯，继而进入迷宫组件。迷宫组件流阻很高，蒸汽在迷宫组件内外侧保持较高的压降。阀芯在此压降下继续保持密封，蒸汽只从内阀芯的迷宫组件出流出，阀门处于小流量高压降调节阶段。阀杆继续打开时，内阀芯平衡孔开始工作，内阀芯平衡孔的压降很小，阀芯上下的压差消失，阀芯在套筒处的密封解除，阀杆可以继续带动阀芯上行，此时阀芯开始打开，蒸汽从套筒的窗口流出，阀门进入大流量低压降调节阶段。本发明通过一种阀芯结构，实现两段不同的调节性能，解决了蒸汽流量调节启动工况需求流通能力与正常工况需求流通能力差距很大的问题，相比现在广泛应用的大小阀并联控制阀组，大幅节约成本，且控制简单。
附图说明
图1为阀芯结构示意图；
图2为迷宫组件示意图，其中a)为平面迷宫，b)为空间迷宫；
图3为不同的窗口形状示意图；a)矩形窗口，b)椭圆形窗口，c)等百窗口；
图4为实施例阀门内结构示意图；
图5为实施例阀芯结构调节特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明提供的阀芯结构包括阀芯002、套筒001、先导头004、阀芯压盖003、弹簧005和紧定螺钉006。先导头004下方设置有内阀芯103，阀芯002上设置有与内阀芯103配合的流道，流道下方设置有迷宫组件104和内阀芯平衡孔105。迷宫组件104和阀芯002的连接方式可以有焊接、螺栓连接等多种形式。阀芯002活动安装于套筒001内，内阀芯103活动安装于迷宫组件104和内阀芯平衡孔105内。先导头004和阀芯002间设置有弹簧005。套筒001、阀芯002和阀芯压盖003，均设置有平衡孔，在内阀芯103工作时用于蒸汽流入内阀芯103，在阀芯002工作时用于平衡阀芯002上下压差。套筒001上还开有窗口101，窗口101有多种窗口形状，如图3所示，其大小和形状根据阀门需求的最大流通能力和流量特性进行设计。阀芯002由螺纹和销008与阀杆007连接进而被执行机构带动。执行机构型式可以是气动、电动或电液，根据需求具体选择。
阀芯结构的装配关系如图1所示，先导头003的内阀芯103装配时插入到阀芯的迷宫组件104及内阀芯平衡孔105形成的内流道。
本发明具体结构如下：
先导头004采用一体化设计，主体为圆盘状结构，圆盘结构中心处上表面设计有带有内螺纹段的凸起，下表面设计有内阀芯103，内阀芯103开有中空腔体，圆盘结构上设计有通孔；阀杆007螺纹安装于所述圆盘结构上表面的凸起内，且阀杆007以及圆盘结构上表面的凸起上均加工有销孔，销008穿过所述销孔，实现阀杆007与先导头004的定位和紧固。
阀芯002内部加工有中空腔体，迷宫组件104连接在阀芯002下表面，连接完成后，迷宫组件104中部形成与阀芯002中空腔体尺寸一致的腔体，阀芯002下部侧壁开孔，形成内阀芯平衡孔105；阀芯002上部加工有凹槽，弹簧005放置在所述凹槽中，先导头004和阀杆007组装后的整体结构放置于弹簧005之上，且内阀芯103插入到阀芯002中空腔体以及迷宫组件104的中部腔体中。
阀芯压盖003安装在阀芯002上方，与阀芯002通过紧定螺钉006紧固；阀芯压盖003上加工有过流孔。
上述组装后的整体结构安装在套筒001内，套筒001安装在阀座009上。
内阀芯103为中空结构，上部设置有第二窗口106；套筒001下部侧壁设置有第一窗口101，作为液体主流道入口，阀门全关时，阀芯002能够完全堵住第一窗口101；套筒001上部侧壁设置有套筒平衡孔102，阀门全关时，套筒平衡孔102位于阀芯002上方。迷宫组件104是由迷宫碟片垒叠而成，形成很多独立的弯折流道，介质在流经迷宫时会有很高的流阻，所以迷宫内外侧保持有较高的压降。本发明设置的迷宫碟片可以有多种型式，如同2所示，其中a)为平面迷宫，b)为空间迷宫。并且不限于图2所列举的迷宫型式。介质由迷宫内侧流向迷宫外侧，本发明利用介质在迷宫内外侧的压降，借用介质的压力，在内阀芯活动时，保证阀芯与阀座仍可以保持密封，从而实现内阀芯的小流量高压降调节。并且迷宫在小流量高压降调节时，具有减振降噪的优点。迷宫组件可以根据介质、阀门需求的压降和流通能力，选择不同的迷宫形式、级数和层数。
内阀芯平衡孔105的设置用于实现两段调节特性的过渡，内阀芯平衡孔可以解除迷宫组件内外侧的压降，从而解除阀芯与阀座的密封，允许阀芯开启，将阀门过渡到大流量低压降的调节特性上。
作为一个优化结构，内阀芯平衡孔105与第二窗口106的流通面积之比不低于1：4。
蒸汽的流向是从套筒外侧进入，从阀芯结构底部流出。此阀芯结构在全关时可以利用蒸汽的阀前压力，达到V级密封的效果。
当执行机构带动阀杆向上运动，阀芯002从全关开始打开时，内阀芯103先动作。内阀芯103为中空结构，上部设置有密封面107和第二窗口106，此时蒸汽通过套筒平衡孔102进入阀芯002内，通过先导头内阀芯103的第二窗口106进入迷宫组件104，通过迷宫组件104的减压后进入阀后。由于迷宫组件104流阻很高，蒸汽在迷宫组件104内外侧保持较高的压降，从而在阀芯002的上下侧保持较高的压降。阀芯002在此压降下(如不足以保持密封，弹簧设计时需要考虑补偿密封力)可以继续保持V级的密封水平，此时蒸汽只能从内阀芯103的迷宫组件104内流出，阀门处于小流量高压降调节阶段。阀门继续打开时，内阀芯平衡孔105开始工作，蒸汽将从内阀芯平衡孔105流出而不经过迷宫组件104，内阀芯平衡孔105的压降很小，阀芯002上下的压差消失，阀芯002在套筒001处的密封解除。并且此时阀芯上行运动只需要克服摩擦力和少许的介质不平衡压力差，较小的执行机构输出力便可以动作。充分发挥了传统先导式阀芯密封力好并且节省执行结构输出力的优点。阀杆007可以继续带动阀芯002上行，此时阀芯002开始打开，蒸汽从套筒001的窗口101流出，阀门进入大流量低压降调节阶段。同样阀门在从大流量低压降阶段关闭时，当阀芯002与接触到阀座009后，内阀芯103开始关闭，当内阀芯103从内阀芯平衡孔105处关闭到迷宫组件104处时，阀芯002上下恢复高压差，阀芯002与套筒001处便在高压差提供的密封力下达到V级密封，阀门重新回到小流量低压降阶段，直至完全关闭。
阀芯内设置有弹簧005，弹簧005处于压缩状态，弹簧005在内阀芯103全开和半开时为内阀芯103保持开度提供维持力，以抵御流场压力的波动，防止出现阀芯002随之上下波动。如果阀芯002直径过大，利用蒸汽压降仍无法达到阀芯密封力要求时，需要增大弹簧力额外补偿密封力。
内阀芯的密封面107设置于内阀芯上部，迷宫组件底部设置有围堰108，这些设置都改善了内阀芯在极小开度下调节性能，保证了内阀芯小开度下蒸汽流动的稳定，并防止渗流的发生。
套筒001上的窗口101可以为不同形状，如图3为不同的窗口形状示意图；a)矩形窗口，b)椭圆形窗口，c)等百窗口。
实施例：
如图4所示，本实施例阀芯结构包括阀芯002、套筒001、先导头004、阀芯压盖003、弹簧005和紧定螺钉006。先导头004上设置有内阀芯103，阀芯002上设置有与内阀芯103配合的流道，流道下方设置有迷宫组件104和内阀芯平衡孔105。先导头004压缩弹簧005，将内阀芯103插入到阀芯002内流道内。
阀芯002活动安装于套筒001内，内阀芯103活动安装于迷宫组件104和内阀芯平衡孔105内。先导头004和阀芯002间设置有弹簧005。套筒001、阀芯002和阀芯压盖003，均设置有平衡孔，在内阀芯103工作时用于蒸汽流入内阀芯103，在阀芯002工作时用于平衡阀芯002上下压差。
此阀芯结构可以根据需求安装在直通型或角型阀体内。本实施例安装在直通型阀体内。套筒001装入阀体后，由阀盖压住并固定。套筒001与阀座009间有垫片进行密封。先导头004由螺纹和销008与阀杆007连接，阀杆007与执行机构连接，执行结构可以根据需要选择气动、电动、电液等多种形式。迷宫组件与阀芯通过扩散焊等方式连接。
本实施例用于汽轮机系统的蒸汽流量调节。其要求的工况参数如表1所示。此阀门需要工作在正常工况和启动工况两种工况下，正常工况流量大压降小，启动工况流量小压降大。
传统方法中此位置的蒸汽控制由4”和8”两个套筒控制阀并联形成一个阀组进行控制。在启动时，先打开4”小阀，控制小流量蒸汽通过，通过连锁根据后续管线的升温速度来控制小阀的打开，温度上升后，再打开大阀，调节大流量的蒸汽通过。
表1实施例的工况要求
Figure BDA0003392256250000071
安装本发明阀芯结构的8”蒸汽流量调节阀，套筒上的窗口采用等百分比窗口，如图3中(c)所示。迷宫组件采用8级减压，5层迷宫碟片，每层12个独立流道，每个独立流道流量系数为1.5，所以迷宫组件的额定流量系数为90，线性调节特性。套筒采用等百分比窗口，额定流量系数为2800，为等百流量特性。该阀芯结构的流量系数(Cv)与阀门开度的关系如表2所示，其对应的流量特性曲线如图5所示。图5中的流量特性曲线可以明显看到，随着开度的增大，阀门的调节特性分成两部分，在0～25％的开度下为内阀芯行程范围，阀门处于小流量高压降调节区域，可以在Cv＝3～90范围内对流量进行调节，满足其启动工况Cv为68的最小流量工况的调节要求。开度在25％～30％开度区间内为内阀芯平衡孔过渡区，此时流阻解除，流量开始大幅度上升。25％～100％的开度下为阀芯行程范围，阀门处于大流量低压降调节区域，Cv调节范围为100～2800，可以满足正常工况下蒸汽流量的调节需求。
表2实施例阀芯结构Cv与开度的关系
Figure BDA0003392256250000081
本发明阀芯结构从全关开始动作时，内阀芯先动作，蒸汽通过套筒平衡孔进入先导头内阀芯，继而进入迷宫组件。迷宫组件流阻很高，蒸汽在迷宫组件内外侧保持较高的压降。阀芯在此压降下继续保持密封，蒸汽只从内阀芯的迷宫组件出流出，阀门处于小流量高压降调节阶段。阀杆继续打开时，内阀芯平衡孔开始工作，内阀芯平衡孔的压降很小，阀芯上下的压差消失，阀芯在套筒处的密封解除，阀杆可以继续带动阀芯上行，此时阀芯开始打开，蒸汽从套筒的窗口流出，阀门进入大流量低压降调节阶段。本发明通过一种阀芯结构，实现两段不同的调节性能，解决了蒸汽流量调节启动工况需求流通能力与正常工况需求流通能力差距很大的问题，相比现在广泛应用的大小阀并联控制阀组，大幅节约成本。
本发明通过一种阀芯结构，不仅具有传统先导式阀芯结构的优点，还可以实现两段不同的调节特性，调节范围大，解决了蒸汽流量调节启动工况需求流通能力与正常工况需求流通能力差距很大的问题，相比现在广泛应用的大小阀并联控制阀组，大幅节约成本。
本发明还适应于需要同时满足小流量高压降和大流量低压降两种调节特性的其他介质。

Claims (7)

1.一种变调节特性的先导式阀芯结构，其特征在于：包括阀芯(002)、套筒(001)、先导头(004)、阀芯压盖(003)、弹簧(005)、阀座(009)和紧定螺钉(006)；
先导头(004)采用一体化设计，主体为圆盘结构，圆盘结构中心处上表面设计有带有内螺纹段的凸起，下表面设计有内阀芯(103)，内阀芯(103)开有中空腔体，圆盘结构上设计有通孔；阀杆(007)螺纹安装于所述圆盘结构上表面的凸起内，且阀杆(007)以及圆盘结构上表面的凸起上均加工有销孔，销(008)穿过所述销孔，实现阀杆(007)与先导头(004)的定位和紧固；
阀芯(002)内部加工有中空腔体，迷宫组件(104)连接在阀芯(002)下表面，连接完成后，迷宫组件(104)中部形成与阀芯(002)中空腔体尺寸一致的腔体，阀芯(002)下部侧壁打孔，形成内阀芯平衡孔(105)；阀芯(002)上部加工有凹槽，弹簧(005)放置在所述凹槽中，先导头(004)和阀杆(007)组装后的整体结构放置于弹簧(005)之上，且内阀芯(103)插入到阀芯(002)中空腔体以及迷宫组件(104)的中部腔体中；
阀芯压盖(003)安装在阀芯(002)上方，与阀芯(002)通过紧定螺钉(006)紧固；阀芯压盖(003)上加工有过流孔；
上述组装后的整体结构活动安装在套筒(001)内，套筒(001)安装在阀座(009)上；
内阀芯(103)为中空结构，上部设置有第二窗口(106)；套筒(001)下部侧壁设置有第一窗口(101)，作为液体主流道入口，阀门全关时，阀芯(002)能够完全堵住第一窗口(101)；套筒(001)上部侧壁设置有套筒平衡孔(102)，阀门全关时，套筒平衡孔(102)位于阀芯(002)上方。
2.根据权利要求1所述的一种变调节特性的先导式阀芯结构，其特征在于：内阀芯(103)上部侧壁加工成斜面，阀芯(002)内腔上部加工成与内阀芯(103)上部斜面相匹配的斜面，组装到位后，两者之间形成密封面(107)。
3.根据权利要求1所述的一种变调节特性的先导式阀芯结构，其特征在于：迷宫组件(104)由迷宫碟片垒叠而成，形成很多独立的弯折流道。
4.根据权利要求3所述的一种变调节特性的先导式阀芯结构，其特征在于：迷宫组件(104)中各个迷宫碟片开槽，迷宫碟片垒叠在一起后，中部形成与阀芯(002)中空腔体尺寸一致的腔体。
5.根据权利要求4所述的一种变调节特性的先导式阀芯结构，其特征在于：迷宫组件(104)最底下一个迷宫碟片不开槽，内阀芯(103)位于最底部时，与最后一个迷宫碟片之间形成围堰，阀门全关或接近全关时，实现全堵，防止出现缝隙流。
6.根据权利要求1所述的一种变调节特性的先导式阀芯结构，其特征在于：阀杆(007)与执行机构连接。
7.根据权利要求1所述的一种变调节特性的先导式阀芯结构，其特征在于：所述先导式阀芯结构根据需求安装在直通型或角型阀体内。
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