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調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作原理

閥內(nèi)件（Valve Trim）

閥內(nèi)件是與流體直接接觸的閥內(nèi)可拆卸的改變流通截面積和截流件導(dǎo)向等作用的零部件總稱，包括典型截流件的閥芯(Plug)和閥座(Seat)，還包括套筒(Cage)、閥桿(Stem)以及減噪器(Flow divider)、抗空化氣蝕部件(AC-trim)、導(dǎo)向(Guide)、密封件、固定件，等等。閥內(nèi)件主要功能是使流通截面積按一定規(guī)則比例變化，實(shí)現(xiàn)流通能力和閥芯/閥桿行程之間的相互關(guān)系，其次是保證緊密關(guān)閉，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的泄漏率。

閥芯（Plug）

閥芯是閥內(nèi)件中最為關(guān)鍵的部件，同時是控制閥的可動部件，閥芯與閥座配合使用，可緊密關(guān)閉切斷流體，可通過改變節(jié)流截面積來調(diào)節(jié)流體通過量，進(jìn)而達(dá)到過程控制的目的。

閥芯的形狀（或籠式閥的套筒開口形狀）決定著控制閥的流量特性，如常見的線性、等百分比、快開特性和拋物線特性等。閥芯閥座的尺寸以及閥內(nèi)流路決定著控制閥的最大流通能力。

閥芯閥座的選材及其工藝處理決定著控制閥的工況應(yīng)用和可靠性。閥芯閥座以及閥內(nèi)件的設(shè)計(jì)直接反映了控制閥廠家的技術(shù)能力。

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柱塞閥芯形狀和流量特性

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套筒型閥芯開口形狀和流量特性

為了獲得不同的閥門特性，閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有多種多樣，一般分直行程和角行程兩大類。單座型控制閥(Globe valve)一般都是頂部導(dǎo)向的直行程控制閥，采用最多的是柱塞型閥芯、套筒型閥芯，以及用于小流量的針形或圓柱銑槽閥芯，還有抗空化氣蝕的多級閥芯和特殊設(shè)計(jì)閥芯。角行程閥芯是通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來改變它與閥座間的流通面積。

早期的控制閥主要是單座閥，柱塞型閥芯。為了克服單座控制閥柱塞型閥芯不平衡力大、較低的流通能力和高噪聲等問題，上世紀(jì)六十年代國外一些廠家開始研發(fā)不平衡力小、有較大流通能力、低噪聲和便于拆裝閥內(nèi)件的套筒型控制閥。

與柱塞型閥芯相比，套筒型閥芯的緊密關(guān)閉切斷功能和泄漏等級要差一些。在工業(yè)應(yīng)用中，套筒易磨損，更會關(guān)閉不嚴(yán)和使泄漏量增大，造成功能安全不足。此外，套筒閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)和流路也比柱塞型閥復(fù)雜，部件數(shù)量多，檢維修內(nèi)容多。密封件多也是套筒閥的一大特點(diǎn)，如Fisher 的ED 系列套筒閥的平衡閥芯就有5 個專用墊片，而抗擠壓密封件或彈簧加載密封環(huán)都屬易損件和檢修更換件，更換頻次高及專用墊片備件價格很高也使得維護(hù)成本增加。套筒閥的快捷拆卸設(shè)計(jì)則是應(yīng)對套筒閥內(nèi)件耐用性和經(jīng)常檢修的問題。

鉆孔式籠罩式閥芯專為高壓降的應(yīng)用場合而設(shè)計(jì)，并消除氣蝕、噪音、腐蝕和震動這些常見問題。通過鉆孔的分布來實(shí)現(xiàn)流量特性。最小可控Cv由閥塞與閥籠之間的間隙以及密封面到閥籠最底側(cè)孔的距離決定。

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鉆孔式籠罩式閥芯

閥芯流量特性

線性流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對位移（行程）成線性關(guān)系。即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。具有此特性的閥門在開度小時流量相對變化大，靈敏度高，不易控制，甚至發(fā)生振蕩；而在開度大時，流量相對變化值小，調(diào)節(jié)緩慢，不夠及時。

等百分比流量特性是指控制閥單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系，即曲線斜率是隨行程的增大而遞增的，也稱為對數(shù)流量特性。在小開度時，流量變化小，調(diào)節(jié)平穩(wěn)；在大開度時，流量變化大，調(diào)節(jié)靈敏有效。

拋物線流量特性是指單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量值的平方根為比例關(guān)系。拋物線流量特性主要是為了彌補(bǔ)線性流量特性在小開度時調(diào)節(jié)效果差的不足。多數(shù)廠家沒有把拋物線流量特性的閥芯作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

快開流量特性在開度較小時就有較大的流量，隨開度的增大，流量很快達(dá)到最大；此后再增加開度，流量變化很小?？扉_流量特性多用于開關(guān)型控制閥，在小開度時就可獲得較大的流量。

非平衡式閥芯和平衡式閥芯

針對單座閥閥芯所受不平衡力大的問題，也有采用平衡型閥芯的解決方案，可使得現(xiàn)有推力有限的執(zhí)行器可用。平衡型閥芯是在閥芯開有平衡孔，將流體壓力引到閥芯另一側(cè)平衡腔室并與閥出口流路密封隔離，這樣閥芯兩側(cè)壓力差的絕大部分被平衡掉，不平衡力只有相當(dāng)于流體壓力在閥桿截面積上的作用力了。由于平衡孔徑相對小一些，若被堵上則平衡作用全失，平衡閥芯不適宜用于較臟、含較大固體顆粒物或易結(jié)晶易固化介質(zhì)。常見的平衡閥芯都是將平衡腔室的筒體設(shè)計(jì)為固定的，密封環(huán)嵌裝在平衡閥芯上，平衡閥芯類似活塞作上下提升運(yùn)動。如下圖所示，左側(cè)為非平衡式閥芯，右側(cè)為平衡式閥芯。

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抗空化氣蝕閥芯

在調(diào)節(jié)閥中產(chǎn)生的沖刷、汽蝕空化現(xiàn)象，其根本原因即是由于閥前后的壓差過高，流速過快。一般認(rèn)為當(dāng)Δp>2.5MPa時，流體介質(zhì)在閥內(nèi)部進(jìn)入節(jié)流部位時壓力驟然下降，在通流截面面積最小處壓力降至最低，當(dāng)這一壓力低于當(dāng)前溫度下流體的飽和蒸汽壓時，部分液體會出現(xiàn)汽化，形成大量微小的汽泡，當(dāng)流體流過節(jié)流口壓力回升時，這些汽泡又發(fā)生破裂回到液態(tài)，對閥體和閥芯等部件產(chǎn)生沖擊并帶來噪聲、振動、閥內(nèi)件或閥體材質(zhì)的破壞等危害。

控制閥廠家都致力于抗空化氣蝕的解決方案，除了在選型計(jì)算上應(yīng)用阻塞流方程和避開產(chǎn)生閃蒸和空化的條件，還從閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)、材料選用等方面入手特殊設(shè)計(jì)出各種不同的抗空化氣蝕閥芯。特殊設(shè)計(jì)的抗空化氣蝕閥芯使流體在通過閥芯閥座時每一點(diǎn)的壓力都高于該溫度下的飽和蒸汽壓，或采用多級降壓級間壓力恢復(fù)的多級閥芯，或采用特殊結(jié)構(gòu)改變流動狀態(tài)并提前破壞氣泡而減小閃蒸效果使空化難以產(chǎn)生，同時降低噪聲。

國內(nèi)外一些調(diào)節(jié)閥廠商都研發(fā)了各種不同類型的專門應(yīng)用于苛刻工況下的抗汽蝕多級降壓調(diào)節(jié)閥。常見的多級降壓調(diào)節(jié)閥分為三類，雖然在結(jié)構(gòu)上有所不同，但有著共同的工作原理，都是通過改變結(jié)構(gòu)將總的壓差進(jìn)行分段多級降壓，使每一級壓降Δp1小于產(chǎn)生空化的臨界壓差，從而有效避免了汽蝕等危害的發(fā)生。

1、串級式調(diào)節(jié)閥

串級式多級降壓結(jié)構(gòu)如圖所示，這種結(jié)構(gòu)把原本的一個整體的節(jié)流區(qū)域以多個分開的節(jié)流區(qū)域互相串聯(lián)，從而使較大的壓差轉(zhuǎn)換為多個較小的壓差，使每一次的降壓范圍都控制在飽和蒸汽壓以上，使空化現(xiàn)象不再出現(xiàn)。

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串級式調(diào)節(jié)閥多用于液體介質(zhì)工作的場合，其特點(diǎn)在于：

啟閉過程中能夠減輕持續(xù)壓差，每一級節(jié)流口的動作均滯后于上一級節(jié)流口，可以使在啟閉過程時作用于閥口的持續(xù)高壓逐級減輕，分擔(dān)了第一級節(jié)流口的壓力。

流阻較小，可以勝任流體清潔度不高，甚至固液兩相流的場合。

串級式閥芯一般進(jìn)行碳化鎢噴涂硬化處理，抗沖刷汽蝕性能良好。

制造過程與其他多級降壓調(diào)節(jié)閥相比工藝較為簡單，加工方便，制造成本也較為低廉。

串級式調(diào)節(jié)閥一般降壓級數(shù)有限，多為3～4級，不能應(yīng)用于壓差過高的場合。

2、多層套筒式調(diào)節(jié)閥

如圖所示，多層套筒式調(diào)節(jié)閥典型結(jié)構(gòu)特征是閥芯部分節(jié)流件由數(shù)層加工有小孔的套筒構(gòu)成，每層套筒之間都留有一定的間隙，使流體流經(jīng)套筒時得以緩沖，從而將流體速度控制在一定范圍內(nèi)。

多層套筒式調(diào)節(jié)閥

其特點(diǎn)在于：

多級套筒式調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)可以設(shè)計(jì)得較大，降壓能力與串級式相比較強(qiáng)，能夠勝任高壓差的場合。

多層套筒式結(jié)構(gòu)既能滿足較高的壓降要求，同時又能在工作時保證較大的流量。

抗汽蝕性能良好，用于液體介質(zhì)時，流體由最外側(cè)套筒流向最內(nèi)側(cè)，液體介質(zhì)在套筒中逐級降壓以減輕空化汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，并且流體最終從內(nèi)側(cè)套筒上的小孔中噴射至中心閥腔區(qū)域，使汽泡在套筒中心部位破裂，不直接對閥門金屬表面產(chǎn)生傷害。

抗噪聲、振動性能良好，用于氣體介質(zhì)時由套筒內(nèi)側(cè)向外流動，靠外側(cè)套筒的孔徑和間隙與內(nèi)側(cè)相比均有所擴(kuò)大，使氣體介質(zhì)在逐級降壓過程中不斷膨脹，可以有效地降低噪聲及振動帶來的危害。

套筒加工過程比較復(fù)雜，成本較高。但安裝與維護(hù)簡便，易于更換。

3、迷宮式調(diào)節(jié)閥

迷宮盤片式多級降壓結(jié)構(gòu)如圖所示，其核心節(jié)流部分由多個開有迷宮式溝槽的金屬盤片疊加而成。流體流經(jīng)迷宮流道中經(jīng)過多次碰撞轉(zhuǎn)折，消耗能量，在逐級降壓過程的同時，使流速也得到了控制。

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