多级降压高压差调节阀设计

s
=
N MAX 4A
< 0.8s s
(NMAX 为套筒承受的最大轴向压力)
NMAX 可用下式估算： NMAX ＝π·(D32－D22) ·σs／8
σs ——材料的屈服极限，MPa 7．结语
多级降压高压差调节阀设计结构独特、控制效果好、使用寿命长、
性能价格比高。主要应用于电站、石油、化工、化肥等行业。
额定 Cv %
出口
t 行程 %
入口
1.阀杆 2.多级阀芯 3.套筒
图三 阀门工作原理
图四 流量特性
特性如图四所示。在阀行程的 0~12%之间，流量近似为 0，而后流量直线上升，为标准直线
特性。这是考虑到阀门在启闭和小流量开度时，高压差全部集中在阀芯和阀座的密封面上，
高速流体会对密封面造成严重冲刷，甚至产生空化气蚀。为了保护阀内件不受损坏，提高阀
阀门工作时（图三），流体沿平行于多级阀芯及套筒轴线方向向上流动，通过多级阀芯 的台阶及平均排列在套筒上的矩形窗口多级节流，使高压降沿阀芯轴线方向平均分布，有效 控制了流体的速度，从而起到降低噪音、防止液体空化的作用。极大地提高了阀门在极其苛 刻工况条件下的使用寿命。
3.性能分析 多级降压高压差调节阀的公称压力为 ANSI 600Lb、900Lb、1500Lb、2500Lb，其流量
流向
1.阀体 2.上阀盖 3.阀杆 4.垫圈 5.多级阀芯 6.套筒 7.外套筒 8.垫圈 9. 阀座
图一 (不平衡型)
1.阀杆 2.平衡密封环 3.多级阀芯 4.套筒 5.外套筒 6.阀座
图二 (平衡型)
2． 结构原理 多级降压高压差调节阀按阀芯结构可分平衡型和不平衡型二种。 图一为不平衡型阀芯结构。由于阀芯受不平衡力作用，因此克服高压差时需要较大的执
门的使用寿命，特设计 12%左右以下的行程为空行程（见图五），即阀芯和阀座开启行程低
于 12%时，套筒上的窗口并未打开，
当行程大于 12%时，套筒窗口才开始
降压节流，对流体进行精确、平稳地
控制。
d(0~12%行程) 窗口行程
12%~100% 行程
4． 材料选择 高压阀的材料选择主要考虑到强
度、接触硬度和热膨胀系数，阀内件 应抗冲刷、耐腐蚀，并防止在高温高 压下阀内件变形、咬死（表一）。
行机构输出力。该阀内件为金属刚性结构，单个流体通道的流通截面积较大（见图三），且 多级阀芯每个台阶处的刃口与套筒上的窗口在阀关闭时有剪切作用，故适合于对高温流体及 含有固体颗粒或结晶体介质的控制。
图二为平衡型阀芯结构。多级阀芯上开有平衡孔，利用平衡密封环阻止平衡孔内流体外 漏。阀芯上下受均压作用，阀芯动作时只需克服平衡密封环及填料等处的摩擦力，因此配较 小的执行机构就能承受很高的压差。
表一 材料选择及处理
阀体材料宜采用锻件。且粗加工后还必须经过超声波探伤检验。阀门填料可使用碳纤维
聚四氟乙烯编织填料或带金属网填充柔性石墨等高强度填料。为防止高压流体经填料函外
泄，故填料必须压得很紧，这就加大了填料与阀杆的摩擦力，结果会导致阀杆磨损，并且填
料还可能会对阀杆表面造成点状侵蚀。所以阀杆表面必须进行硬化处理，以提高阀杆的寿命。
图七 套筒
此文发表于 2001 年第 1 期《阀门》杂志
参考文献 1．[美] J.L.莱昂斯 阀门技术手册 机械工业出版社 1991 年 6 月 2．徐灏 机械设计手册 机械工业出版社 1991 年月 9 月
多级降压高压差调节阀设计
吴 杰 高级工程师 无锡卓尔阀业有限公司 江苏 无锡 214011
1． 概述 多级降压高压差调节阀适合于在极其苛刻的工况条件下对高温、高压或高压差液体的精
确控制。该阀综合了普通式、多孔式和迷宫式低噪音调节阀的优点，能防止液体空化产生汽 蚀、减少高速流体对阀内件的冲刷、降低噪音；尤其适合于对含有杂质或固体颗粒流体的控 制。
a 普通阀杆
b 阶梯阀杆
而采用 17-4PH／沉淀硬化处理后其屈服极限σs=863 MPa；如 果阀杆材料一定，而许容载荷 PA 不能满足设计要求，则可以
图六 阀杆
把阀杆设计成阶梯轴。（图六 b）阀杆结构尺寸 l1 应尽量短，以保证阀门行程为准，l2 尽量
设计长，这样有利于提高阀杆的刚度。
套筒的压应力校验
E
sP
（E 材料弹性模量） （sp 材料比例极限强度）
当l≥lp 时 采用欧拉公式：
P 阀 杆 的 临 界 载 荷
er
=
p 2E l2
×
A
（A 阀杆横截面积）
阀杆的许容载荷 PA＝Per／N （N 安全系数取 1.6）
若阀杆的许容载荷 PA 不能满足设计要求，则可通过更
改材料以提高强度。比如 SUS316 的屈服极限σs=205 MPa
则 A1＝π·(D12－D02)／4
A2＝2·W·(L－E)
A3＝4·W·t
∵ A1wk.baidu.comA2＝A3
∴ t＝S－δ
L＝2·(S－δ) + E
套筒上方 4-Φh 孔只起流通作用，而不作节流作用。为不影响套筒的流通能力，所以
4-Φh 孔的总流通截面积≥1.5 A1 套筒流通能力 Cvc 计算:
Cvc＝A1·k／(25.4) 2 阀座流通能力 Cvb 计算：
5. 设计及 Cv 计算
多级降压高压差调节阀流向采用底进侧出。通过多级阀芯和套筒来控制液体的压力、流
量。由于液体为不可压缩性流体，因此设计多级阀芯和套筒窗口时，要求各级流道的流通截
面积相等。即：
设 A1 为阀芯台阶环形流通截面积(mm2) A2 为套筒窗口径向流通总截面积(mm2)
A3 为套筒窗口轴向流通总截面积(mm2) S 为阀行程(mm) (参见图三、图五)
图五 阀内件结构
名称
材料选择及处理
阀 体 A105 35# 15CrMo
15CrMo SUSF304 SUSF316
多级阀芯 阀座 套筒 阀杆
8Cr17/淬火热处理
SUS316/部分堆焊司太莱合金
1Cr13/淬火热处理
SUS316/全部堆焊司太莱合金
17-4PH/沉淀硬化热处理
SUS316
17-4PH/沉淀硬化热处理 或 SUS316/表面镀硬铬
Cvb＝π·r2·K／(25.4) 2
(k 为套筒流通系数) (r 为阀座半径；K 是阀总流通系数 可取值 21)
阀的总流通能力 Cv 计算:
Cv =
1 1+1 Cvc2 Cvb2
多级降压高压角阀也可用于气体、蒸汽以及气液两相流的场合。由于气体是可压缩性流
体，压力降低时体积急剧膨胀，因此进行流道设计时要将套筒窗口流通截面 a、b、c、d（见
图三）按一定的扩张系数逐级放大。
6. 强度校验 强度校验主要是阀杆的挠曲强度计算以及套筒的压应力校验。阀杆的挠曲强度计算包括
阀杆的柔度l和材料的柔度lp，及阀杆的临界载荷 Per 和许容载荷 PA 等。 阀杆挠曲强度计算:
阀杆的柔度 l = 4ml d
（μ压杆长度系数 取μ＝1）
材料的柔度
lp =p