三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)設(shè)計(jì)分析
三偏心結(jié)構(gòu)蝶閥是蝶閥發(fā)展、演化過程中最新的—種，三偏心蝶閥具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。文章在分析三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)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(duì)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(jié)論。
1、引言
三偏心蝶閥作為一種直角旋轉(zhuǎn)閥，具有優(yōu)良的關(guān)斷特性：頻繁操作條件下，長(zhǎng)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(jì)各領(lǐng)域中成套設(shè)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(jié)構(gòu)相關(guān)問題進(jìn)行探討。
2、三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)概述
由于在雙偏心的基礎(chǔ)上，將閥座中心線與蝶板密封面中心線形成一個(gè)角度為α的偏置，當(dāng)三偏心密封蝶閥處于完全開啟狀態(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(zhǎng)、短半徑的蝶板變化，蝶板密封面轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡的切線與閥座密封面形成兩個(gè)夾角。因?yàn)檫@兩個(gè)夾角的存在，蝶閥開啟時(shí)，蝶板密封面會(huì)在開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(jī)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(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，不僅消除了常規(guī)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，而且可以通過對(duì)外加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)其密封比壓的任意調(diào)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)，近年來逐步應(yīng)用于發(fā)電廠、鋼鐵廠、煉油廠、化工廠等，其流體介質(zhì)包括蒸汽、水、油類和其他腐蝕介質(zhì)等。另外，三偏心金屬密封蝶閥的參數(shù)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制造廠家生產(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。使閥門嚴(yán)密關(guān)斷并與介質(zhì)的流向、壓力無關(guān)。
(2)彈性金屬對(duì)金屬密封結(jié)構(gòu)：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°周圍均勻密封比壓，從而用最小的扭矩實(shí)現(xiàn)了最嚴(yán)密的關(guān)閉。
(3)閥門軸：閥門軸采用通桿結(jié)構(gòu)，由高強(qiáng)度合金鋼制成。與蝶板采用雙鍵連接，錐銷固定。閥桿設(shè)計(jì)為防沖出型，以免在閥桿與閥板聯(lián)結(jié)處發(fā)生斷裂時(shí)，閥桿崩出。設(shè)計(jì)安全可靠。
(4)軸承和填料設(shè)計(jì)：采用四軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸承采用高強(qiáng)度涂層自潤滑滑動(dòng)軸承，支承可靠、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)。填料、填料壓環(huán)采用柔性石墨環(huán)設(shè)計(jì)。填料壓環(huán)采用兩件式球形接觸面結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)有一定的間隙量，保證密封圈合適的彈性。密封圈后斷面設(shè)計(jì)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，閥門開關(guān)設(shè)計(jì)壽命可達(dá)100萬次。
(7)雙向泄露等級(jí)達(dá)到ANSIFCI-70-2-1991VI級(jí)。
(8)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)配置為液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)可選配手動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)或是聯(lián)合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
4、三偏心蝶閥的流體動(dòng)力特性計(jì)算分析
在實(shí)際工作條件下，當(dāng)閥門為改變流量而開大或關(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(kuò)散開的，例如，當(dāng)在管路一端的閥門快速關(guān)閉時(shí)，只有閥門部位的流體分子能立即感受到閥門的關(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的速度流動(dòng)，一直到整個(gè)流體平靜為止。
壓縮區(qū)向管路進(jìn)口端擴(kuò)張的速度是均勻的，并且等于管路內(nèi)流體的聲速。當(dāng)壓縮區(qū)到達(dá)進(jìn)口管路末端時(shí)，所有流體就處于靜止?fàn)顟B(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(dāng)這一壓降波到達(dá)閥門時(shí)，整個(gè)流體又重新處于正常靜壓之下，但流體繼續(xù)向進(jìn)口末端流動(dòng)，從而在閥門處又開始產(chǎn)生了—個(gè)低于正常壓力的壓力波。當(dāng)這個(gè)低壓的壓力波往返一周后，就恢復(fù)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(fù)到由于摩擦和其他原因使流體動(dòng)能耗盡為止。
4.1、計(jì)算機(jī)仿真模型建立
為了解決三偏心蝶閥在啟閉時(shí)計(jì)算流體介質(zhì)對(duì)蝶板沖擊的問題，本課題采用FLOWMASTER Ltd。公司自主開發(fā)的面向流體系統(tǒng)仿真的軟件平臺(tái)FLOWMASTER。其主要憑借其內(nèi)置的一維流體動(dòng)力系統(tǒng)解算器，及面向工程流體系統(tǒng)仿真軟件包，已經(jīng)得到了航空航天、汽車、艦船、能源化工、水力漿站等工業(yè)領(lǐng)域越來越多的應(yīng)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)吸附過程由吸附、連續(xù)八次均壓降壓、逆放、抽真空、連續(xù)八次均壓升壓和產(chǎn)品最終升壓等步驟組成。從整個(gè)工藝流程來看，只有吸附過程、逆放過程和抽真空過程中三偏心蝶閥有啟閉動(dòng)作，其余過程三偏心蝶閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。
4.2、仿真結(jié)果分析與討論
(1)從吸附過程蝶閥關(guān)閉時(shí)壓力變化的數(shù)據(jù)來看，在三偏心蝶閥關(guān)閉的整個(gè)過程中，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(duì)閥門造成很大沖擊，因此該管網(wǎng)模型只改變管道流體為水介質(zhì)，經(jīng)過軟件分析計(jì)算，在閥門關(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?yàn)殡p塔為對(duì)稱布置，當(dāng)閥門關(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(jì)算結(jié)果也是合理的。
(3)從最大壓力降的時(shí)間來看，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(dāng)?shù)褰咏耆P(guān)閉時(shí)，此時(shí)流體對(duì)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(jié)束語
結(jié)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(jù)三偏心蝶閥的實(shí)際工況的受力狀況，采用商用軟件對(duì)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(jì)算，分析了三偏心蝶閥在蝶板關(guān)閉過程中管路流體介質(zhì)對(duì)閥門的整個(gè)過程，得出在蝶板即將關(guān)閉瞬間流體對(duì)蝶板的壓力為最大。
