三偏心蝶閥的結構特點(diǎn)及相關(guān)設計分析
三偏心結構蝶閥是蝶閥發(fā)展、演化過(guò)程中最新的—種，三偏心蝶閥具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因而應用廣泛。文章在分析三偏心蝶閥結構基礎上，重點(diǎn)對三偏心金屬密封蝶閥的主要技術(shù)特征進(jìn)行分析，還利用商業(yè)軟件對三偏心蝶閥的流體動(dòng)力特性進(jìn)行分析，得到相關(guān)有用結論。
1、引言
三偏心蝶閥作為一種直角旋轉閥，具有優(yōu)良的關(guān)斷特性：頻繁操作條件下，長(cháng)周期的循環(huán)使用壽命和良好的雙向服務(wù)功能。作為經(jīng)濟各領(lǐng)域中成套設備的關(guān)鍵產(chǎn)品，大直徑、高溫、高壓三偏心金屬硬密封蝶閥是國家重點(diǎn)攻關(guān)新產(chǎn)品，本文主要就三偏心蝶閥的結構相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。
2、三偏心蝶閥結構概述
由于在雙偏心的基礎上，將閥座中心線(xiàn)與蝶板密封面中心線(xiàn)形成一個(gè)角度為α的偏置，當三偏心密封蝶閥處于完全開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，蝶板密封面會(huì )完全脫離閥座密封面，由于α角偏置的形成會(huì )使長(cháng)、短半徑的蝶板變化，蝶板密封面轉動(dòng)軌跡的切線(xiàn)與閥座密封面形成兩個(gè)夾角。因為這兩個(gè)夾角的存在，蝶閥開(kāi)啟時(shí)，蝶板密封面會(huì )在開(kāi)啟的瞬間立即脫離閥座密封面;在關(guān)閉時(shí)，只有在關(guān)閉的瞬間，蝶板的密封面才會(huì )接觸并壓緊閥座密封面，從而徹底消除了蝶板啟閉時(shí)蝶板密封副兩密封面之間的機械磨損和擦傷。而在蝶閥關(guān)閉時(shí)，其密封副兩密封面之間的密封比壓可以由外加于蝶板轉軸的驅動(dòng)轉矩產(chǎn)生，不僅消除了常規蝶閥中彈性閥座彈性材料的老化、冷流、彈性失效等原因造成的密封副兩密封面之間的密封比壓降低和消失，而且可以通過(guò)對外加驅動(dòng)轉矩的改變實(shí)現對其密封比壓的任意調整，從而使三偏心密封蝶閥的密封性能和使用壽命得到大大的提高。由于三偏心金屬密封蝶閥具有諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)逐步應用于發(fā)電廠(chǎng)、鋼鐵廠(chǎng)、煉油廠(chǎng)、化工廠(chǎng)等，其流體介質(zhì)包括蒸汽、水、油類(lèi)和其他腐蝕介質(zhì)等。另外，三偏心金屬密封蝶閥的參數主要有軸向偏心、徑向偏心、角偏心、蝶板錐度、蝶板密封厚度、蝶板厚度等。
3、三偏心金屬密封蝶閥的主要技術(shù)特征
這里分析的三偏心金屬密封蝶閥是由閥門(mén)制造廠(chǎng)家生產(chǎn)的用于變壓真空吸附制氫(VPSA)氣體分離裝置的程序控制閥，其具有以下技術(shù)特征：
(1)扭矩密封：徹底改變了位置密封閥中由閥座彈性提供密封比壓的方式，由外加扭矩提供密封比壓。使閥門(mén)嚴密關(guān)斷并與介質(zhì)的流向、壓力無(wú)關(guān)。
(2)彈性金屬對金屬密封結構：彈性金屬密封圈在外加扭矩作用下，與閥座接觸，使得彈性金屬密封圈與金屬閥座之間的接觸角產(chǎn)生輕微變形，使得密封圈發(fā)生柔動(dòng)和徑向壓縮。由于閥座與密封圈之間均勻接觸及密封圈的柔性，使閥座360°周?chē)鶆蛎芊獗葔�，從而用最小的扭矩�?shí)現了最嚴密的關(guān)閉。
(3)閥門(mén)軸：閥門(mén)軸采用通桿結構，由高強度合金鋼制成。與蝶板采用雙鍵連接，錐銷(xiāo)固定。閥桿設計為防沖出型，以免在閥桿與閥板聯(lián)結處發(fā)生斷裂時(shí)，閥桿崩出。設計安全可靠。
(4)軸承和填料設計：采用四軸承結構設計，軸承采用高強度涂層自潤滑滑動(dòng)軸承，支承可靠、強度高、壽命長(cháng)。填料、填料壓環(huán)采用柔性石墨環(huán)設計。填料壓環(huán)采用兩件式球形接觸面結構，保證填料正向均勻壓緊。
(5)密封圈：密封圈外形為與閥座相配合的斜置幾何設計，由密封圈壓圈夾持在蝶板上，易于安裝和更換。密封圈徑向設計有一定的間隙量，保證密封圈合適的彈性。密封圈后斷面設計一個(gè)W形不銹鋼石墨纏繞密封圈，保證密封圈端面雙向密封。
(6)在比較純凈的介質(zhì)中，閥門(mén)開(kāi)關(guān)設計壽命可達100萬(wàn)次。
(7)雙向泄露等級達到ANSIFCI-70-2-1991VI級。
(8)執行機構：標準配置為液壓驅動(dòng)機構，同時(shí)可選配手動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)或是聯(lián)合驅動(dòng)機構。
4、三偏心蝶閥的流體動(dòng)力特性計算分析
在實(shí)際工作條件下，當閥門(mén)為改變流量而開(kāi)大或關(guān)小時(shí)，流體液柱動(dòng)能的變化會(huì )造成管路中靜壓的瞬時(shí)變化。在液體中這種靜壓的瞬時(shí)變化常常引起管路的振動(dòng)，產(chǎn)生像錘擊的聲音，因而得名為水擊。這種壓力的瞬時(shí)變化不是沿著(zhù)整個(gè)管路同時(shí)立即發(fā)生的，而是從變化的起始點(diǎn)逐步擴散開(kāi)的，例如，當在管路一端的閥門(mén)快速關(guān)閉時(shí)，只有閥門(mén)部位的流體分子能立即感受到閥門(mén)的關(guān)閉，然后流體分子中積聚的動(dòng)能壓縮流體分子并使相鄰的管壁脹大，其部分的流體仍然以原來(lái)的速度流動(dòng)，一直到整個(gè)流體平靜為止。
壓縮區向管路進(jìn)口端擴張的速度是均勻的，并且等于管路內流體的聲速。當壓縮區到達進(jìn)口管路末端時(shí)，所有流體就處于靜止狀態(tài)，但壓力高于正常靜壓。這個(gè)壓差在這時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)向相反方向的流動(dòng)，從而解除了靜壓的升高和管壁的脹大。當這一壓降波到達閥門(mén)時(shí)，整個(gè)流體又重新處于正常靜壓之下，但流體繼續向進(jìn)口末端流動(dòng)，從而在閥門(mén)處又開(kāi)始產(chǎn)生了—個(gè)低于正常壓力的壓力波。當這個(gè)低壓的壓力波往返一周后，就恢復了正常的壓力和起始的流體流動(dòng)方向。這種往返一直要重復到由于摩擦和其他原因使流體動(dòng)能耗盡為止。
4.1、計算機仿真模型建立
為了解決三偏心蝶閥在啟閉時(shí)計算流體介質(zhì)對蝶板沖擊的問(wèn)題，本課題采用FLOWMASTER Ltd。公司自主開(kāi)發(fā)的面向流體系統仿真的軟件平臺FLOWMASTER。其主要憑借其內置的一維流體動(dòng)力系統解算器，及面向工程流體系統仿真軟件包，已經(jīng)得到了航空航天、汽車(chē)、艦船、能源化工、水力漿站等工業(yè)領(lǐng)域越來(lái)越多的應用。
該裝置采用的工藝流程總共有十二個(gè)吸附塔，其中有兩個(gè)吸附塔始終處于同時(shí)進(jìn)料吸附的狀態(tài)，整個(gè)吸附過(guò)程由吸附、連續八次均壓降壓、逆放、抽真空、連續八次均壓升壓和產(chǎn)品最終升壓等步驟組成。從整個(gè)工藝流程來(lái)看，只有吸附過(guò)程、逆放過(guò)程和抽真空過(guò)程中三偏心蝶閥有啟閉動(dòng)作，其余過(guò)程三偏心蝶閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。
4.2、仿真結果分析與討論
(1)從吸附過(guò)程蝶閥關(guān)閉時(shí)壓力變化的數據來(lái)看，在三偏心蝶閥關(guān)閉的整個(gè)過(guò)程中，壓力有一個(gè)明顯的上升但變化并不大，約為1bar左右。所以，雖然流體介質(zhì)的壓力大，流速高體積大而密度很小，而且在閥門(mén)關(guān)閉時(shí)流體介質(zhì)自身會(huì )產(chǎn)生體積的壓縮，難以對閥門(mén)造成很大沖擊，因此該管網(wǎng)模型只改變管道流體為水介質(zhì)，經(jīng)過(guò)軟件分析計算，在閥門(mén)關(guān)閉的瞬間，壓力升高近70%。
(2)單塔的壓力最大值P=40.0932bar，雙塔的壓力最大值P=40.1407bar;雙塔的壓力最大值大于單塔的壓力最大值。因為雙塔為對稱(chēng)布置，當閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，流體產(chǎn)生的壓力波會(huì )疊加，因此雙塔的壓力波動(dòng)值大于單塔的壓力波動(dòng)值，仿真計算結果也是合理的。
(3)從最大壓力降的時(shí)間來(lái)看，雙塔最大壓力發(fā)生在蝶板關(guān)閉約78.97°時(shí);而單塔最大壓力發(fā)生在蝶板關(guān)閉約78.6°時(shí)，產(chǎn)生最大壓力的時(shí)間基本一致。當蝶板接近完全關(guān)閉時(shí)，此時(shí)流體對蝶板產(chǎn)生的沖擊最大，在最大壓力作用下蝶板的變形和位移也是最大的。蝶板與閥體密封面發(fā)生干涉的可能性也越大。
5、結束語(yǔ)
結合工程實(shí)際需求，以三偏心蝶閥在變壓真空吸附制氫裝置中的實(shí)際使用為例，根據三偏心蝶閥的實(shí)際工況的受力狀況，采用商用軟件對三偏心蝶閥在吸附狀態(tài)下關(guān)閉時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)力計算，分析了三偏心蝶閥在蝶板關(guān)閉過(guò)程中管路流體介質(zhì)對閥門(mén)的整個(gè)過(guò)程，得出在蝶板即將關(guān)閉瞬間流體對蝶板的壓力為最大。
