高流量雙向密封三偏心真空蝶閥的設計
通過(guò)Solidworks 軟件對高流量雙向密封三偏心真空蝶閥進(jìn)行整體建模，論述了高流量雙向密封三偏心真空蝶閥的結構特點(diǎn)。運用COSMOS 及COSMOSFLOWWORKS 分析了蝶閥承壓部件應力，并對不同開(kāi)度下的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，為繪制流量特性曲線(xiàn)及求解不同開(kāi)度下的Kv 值提供了可靠的參數。
1、概述
真空蝶閥安裝于鋼制管道系統中，該管道系統包括排汽管道、配汽管道、抽真空管道和凝結水管道等。蒸汽經(jīng)過(guò)排汽管道從汽機進(jìn)入空冷凝汽器，冷凝水經(jīng)過(guò)凝結水管道進(jìn)入凝結水箱，不凝氣體經(jīng)過(guò)抽真空管道進(jìn)入真空泵。
2、結構設計及技術(shù)特點(diǎn)
高流量雙向密封三偏心真空蝶閥( 圖1) 采用三偏心密封結構，閥座密封表面層堆焊耐溫、耐蝕合金材料。閥門(mén)密封圈鑲嵌在蝶板上，可更換。
圖1 真空蝶閥實(shí)體建模
(1) 雙向密封三偏心蝶閥性能穩定可靠，在閥門(mén)的結構、材質(zhì)和尺寸滿(mǎn)足條件時(shí)，閥門(mén)可長(cháng)期安全穩定運行。
(2) 閥座與蝶板之間的密封面抗磨損和耐腐蝕性能好，閥門(mén)能長(cháng)期保持在良好密封的工作狀態(tài)。
(3) 軸套采用自潤滑軸承。
(4) 蝶閥采取電動(dòng)執行機構驅動(dòng)，性能穩定可靠。
(5) 蝶板采用偏心錐形閥座面，使蝶板在擺起瞬間脫離閥座的接觸，減少了密封面磨損。
(6) 偏心錐形式密封面的結構使閥門(mén)關(guān)閉后形成可靠的面密封，提高了閥門(mén)的密封性能。
(7) 密封副采用密封比壓補償結構( 圖2) ，實(shí)現閥門(mén)的雙向密封。
1.閥體 2.蝶板密封圈 3.蝶板
圖2 密封副的密封比壓補償結構
(8) 選用RPTFE 作為蝶板密封圈，閥體閥座采用自動(dòng)噴焊鐵基不銹鋼材料，硬度35 ～ 38HRC，實(shí)現可靠密封。
(9) 蝶板采用斜拉筋板桁架式設計( 圖3) ，采取雙短軸驅動(dòng)結構使其具有過(guò)流面積大，流阻小，強度高，承載能力強，剛性好等特性。
圖3 斜拉筋板桁架式設計
(10) 采用雙向對開(kāi)卡環(huán)軸向限位( 圖4) ，限制蝶板在閥體中的位置。
(a) 上對開(kāi)卡環(huán) (b) 下對開(kāi)卡環(huán)
圖4 雙向對開(kāi)卡環(huán)限位結構
(11) 選擇合理的密封副結構，減小偏心力矩，保證理想的反向密封效果。
(12) 閥桿密封采用上下金屬壓環(huán)和金屬環(huán)將PTFE 成型V 形填料分成兩組的結構形式，V 形填料可通過(guò)填料壓蓋上的螺栓從外部進(jìn)行調整( 圖5) 。金屬環(huán)通過(guò)外部油杯將密封油脂注入V 形填料作為輔助密封。填料壓蓋采用加載機構，自動(dòng)保證V 形填料的壓緊力度，長(cháng)期使用密封效果好。
圖5 閥桿密封
3、CAE、CFD 分析
三偏心真空蝶閥采用斜拉桁架組焊結構形式。應用cosmosworks 軟件對蝶板進(jìn)行有限元分析，求解出蝶板在受壓情況下的應力分布及變形情況( 圖6、圖7) ，以對其進(jìn)行優(yōu)化設計。
圖6 蝶板應力分布
圖7 蝶板變形量
通過(guò)對蝶板的有限邊界條件設定及網(wǎng)格劃分，應用cosmosworks 對蝶板載荷加載并對其結構進(jìn)行分析，確定蝶板最大應力為80. 73MPa，最大變形量為0. 115mm，滿(mǎn)足設計要求及工況的使用。
圖8 蝶板開(kāi)啟30°時(shí)壓力分布
圖9 蝶板開(kāi)啟60°時(shí)壓力分布
圖10 蝶板開(kāi)啟90°時(shí)壓力分布
4、流場(chǎng)分析
應用Flowworks 對閥門(mén)不同開(kāi)度時(shí)的壓力分布進(jìn)行模擬，觀(guān)察不同開(kāi)度下蝶閥的內部流體壓力變化情況( 圖8 ～ 圖10) 和流通性能，為真空蝶閥流阻系數的測定及內部特性曲線(xiàn)的繪制提供相關(guān)數據。
5、結語(yǔ)
通過(guò)采用先進(jìn)的設計手段進(jìn)行模擬和仿真，對真空蝶閥的設計方案進(jìn)行整機設計、密封設計、真空度保證設計以及流阻系數等方面的驗證，結合設計制造成功經(jīng)驗，確定蝶閥的設計方案能滿(mǎn)足產(chǎn)品的使用要求。
參考文獻
〔1〕楊源泉. 閥門(mén)設計手冊〔M〕. 北京: 機械工業(yè)出版社，1992.
〔2〕陸培文. 實(shí)用閥門(mén)設計手冊〔M〕. 北京: 機械工業(yè)出版社，2002.
