迷宫式多级降压笼式阀的设计及应用

文/李艳荣 瑞莱尔（天津）控制阀有限公司、刘素艳 天津津伯仪表技术有限公司

在过程控制系统中，有许多在高压、高压差条件下工作的控制阀，在这种条件下，当介质是液体时，用普通控制阀很容易产生气蚀现象，导致阀内件迅速损坏，当介质是气体时，用普通控制阀很容易产生流速过高、震动、高级别噪声等问题，进而使现场使用的控制阀失效或产生事故。基于以上问题，各个国内、外控制阀生产厂家都纷纷推出了各种不同结构的防气蚀和降噪声控制阀，以适应现场严酷工况的要求，在本文中我主要介绍一下其中的一种结构形式，即迷宫式多级降压控制阀。 

迷宫式多级降压控制阀是目前最新一代，具有较高技术含量的控制阀，阀内件具有先进的迷宫式降压结构。它能够通过独特的多级降压方式很好地控制介质的流速和压降，并能够将流速及压降控制在允许的范围内，从而使控制阀在没有气蚀和噪声的情况下可靠地运行，延长控制阀的使用寿命。通过对多级降压控制阀阀内件的特殊结构设计，成功解决了高压差、高流速的难题（例如气蚀、噪声、振动、冲刷等）。可以广泛应用于电厂、石油、化工、天然气及某些运行条件极其苛刻场合，满足对液体、蒸汽和气体工况的特殊要求。

图1 常用环形盘片结构

如图1所示，迷宫式多级降压控制阀的设计原理是把许多环形盘片堆叠起来，形成了通过控制阀的节流通道，并用电腐蚀、激光（线）切割或铸造等方式使环形盘片构成流体通路，流路是曲折的，迫使流体节流并使其通过曲折变化的流道，而流体在每通过一个弯角就起到一级降压的目的。在这个过程中，消耗了流体的动能，降低了流体流速，达到多级降压的效果。其设计原理见图2、图3。

图2 普通阀内件控制阀降压原理图

图3 迷宫式多级降压阀内件降压原理图

由图2可以看出，当阀前、后压差比较大时，用普通阀内件的控制阀，液体在流经最小截面处时，此处的压力已经低于液体的闪蒸点，会产生气蚀现象，而此时流速也出现最大值；当气体或蒸汽流经最小截面处时，会出现很高的流速，而且已经超过震动、冲刷、噪音的临界点，从而使控制阀在使用过程中产生振动和高级别噪声。由图3可以看出当采用迷宫式多级降压阀内件的控制阀，在同样的工况条件下，对于介质为液体时，能够使阀前压力P1经过多次降压后，使压力逐渐降到阀后压力P2，又保证每一级降压后的压力都高于液体的饱和蒸汽压，不会产生气蚀和闪蒸现象；对于介质为气体时，通过在流动过程中产生的摩擦损失，不断的降低流速，而且又保证每一级的流速值都低于振动、冲刷、噪音的临界点，避免流体由于流速过高对阀内件进行破坏和产生高级别噪声，这种曲折通道的设计方法最大可降低噪声30dBA。

   图4 常用迷宫式多级降压环形盘片流 向示意图                                图5 迷宫式多级降压笼式阀

迷宫式多级降压控制阀（见图4、图5）中常用的降压环形盘片的曲折通道，在设计时一般采用由内到外流通面积逐渐增加的方法，因此对于气体介质由内向外流出时，通过多次对流膨胀，使流体的流速降低，降低噪声的强度，减少流体对阀内件的冲蚀。对于液体介质由外向内流入时，经过每一级的降压，使各个弯角入口压力都不超过介质的闪蒸点，而且当阀芯离开阀座时，液体就从许多开启的小孔喷出，每一个孔都向中心喷射，并与径向相反的喷射流互相碰撞，降低流体流速，避免闪蒸、气蚀的发生，同时减少噪声来源。

由于迷宫式多级降压笼式阀在现场应用中越来越广泛，我们天津精通控制仪表技术有限公司也推出了GTM/GDM型G系列迷宫式多级降压笼式阀，其中所涉及的关键件是迷宫式多级降压阀笼，如图6所示G系列迷宫式多级降压阀笼是采用多片迷宫式环形盘片叠加而成的，其中迷宫式环形盘片的流道是根据降压级数确定的，设计成具有不同数量的转角和扩张流道的沟槽，下面以GTM-600RF  DN150 迷宫式6级降压笼式阀的设计过程为例，将阀前压力设为10MPa,阀后压力设为1MPa,利用FLOWWORKS仿真模拟出压力、流速分布图,并通过FLOWWORKS仿真模拟计算出流通能力Cv值，来分析一下此种结构的可行性。

图6 G系列迷宫式环形盘片及迷宫式阀笼组装图

     图7 迷宫式环形盘片液体降压模拟示意图            图8 迷宫式环形盘片气体流速模拟示意图

由图6可以看出，我们公司设计的G系列迷宫式环形盘片的流路是由多个90°直角转弯构成，由内到外流通面积逐渐增大，并且将此种流路分布在整个迷宫式环形盘片上，整个迷宫式阀笼中的迷宫式环形盘片的流路都是相同的。从图7的压力分布图的颜色变化可以看出当液体流经G系列迷宫式环形盘片后，阀前压力在经过每个直角转弯后逐渐降低，使下一级的入口压力逐渐减小，直到降低到出口压力值。从图8的流速分布图的颜色变化可以看出（与液体的流动方向相反）当气体流经G系列迷宫式环形盘片后，通过不断的直角转弯，产生摩擦损失，降低流体流速，而且G系列迷宫式环形盘片的流路采用逐级流量面积增加的设计方法，为气体提供逐渐增大的膨胀面积，能够进一步使流体流速降低。

下面我们对GTM-DN150迷宫式6级降压笼式阀的流量特性情况进行分析，GTM-DN150迷宫式6级降压笼式阀模拟Cv值与标准直线特性理论Cv值见表1，模拟Cv与标准直线特性理论Cv对比曲线图见图9。

表1 GTM-DN150迷宫式6级降压笼式阀Cv值

        注：标准直线特性是指R=50时的标准直线流量特性

图9 模拟Cv与标准直线特性理论Cv对比图

由图9可以看出G系列迷宫式多级降压笼式阀能够为用户提供接近于R=50时的标准直线流量特性。在实际应用中，迷宫式多级降压笼式阀在现场使用中确实能够有效的消除流体高压差所引起的破坏问题，因此采用逐级降压、不断改变流体流向来消耗能量的设计方法一直被广泛采用，可以从控制阀本身结构来解决高压差所引起的气蚀、闪蒸、噪声、振动等问题。我们在各个控制阀厂家的样本上可以看到迷宫式环形盘片的设计方法也是多种多样的，但其基本设计原理还是相同的。