高流量双向密封三偏心真空蝶阀的设计

　　通过Solidworks 软件对高流量双向密封三偏心真空蝶阀进行整体建模，论述了高流量双向密封三偏心真空蝶阀的结构特点。运用COSMOS 及COSMOSFLOWWORKS 分析了蝶阀承压部件应力，并对不同开度下的流场进行模拟，为绘制流量特性曲线及求解不同开度下的Kv 值提供了可靠的参数。

1、概述

　　真空蝶阀安装于钢制管道系统中，该管道系统包括排汽管道、配汽管道、抽真空管道和凝结水管道等。蒸汽经过排汽管道从汽机进入空冷凝汽器，冷凝水经过凝结水管道进入凝结水箱，不凝气体经过抽真空管道进入真空泵。

2、结构设计及技术特点

　　高流量双向密封三偏心真空蝶阀( 图1) 采用三偏心密封结构，阀座密封表面层堆焊耐温、耐蚀合金材料。阀门密封圈镶嵌在蝶板上，可更换。

图1 真空蝶阀实体建模

　　(1) 双向密封三偏心蝶阀性能稳定可靠，在阀门的结构、材质和尺寸满足条件时，阀门可长期安全稳定运行。

　　(2) 阀座与蝶板之间的密封面抗磨损和耐腐蚀性能好，阀门能长期保持在良好密封的工作状态。

　　(3) 轴套采用自润滑轴承。

　　(4) 蝶阀采取电动执行机构驱动，性能稳定可靠。

　　(5) 蝶板采用偏心锥形阀座面，使蝶板在摆起瞬间脱离阀座的接触，减少了密封面磨损。

　　(6) 偏心锥形式密封面的结构使阀门关闭后形成可靠的面密封，提高了阀门的密封性能。

　　(7) 密封副采用密封比压补偿结构( 图2) ，实现阀门的双向密封。

　　1.阀体　2.蝶板密封圈　3.蝶板

　　图2 密封副的密封比压补偿结构

　　(8) 选用RPTFE 作为蝶板密封圈，阀体阀座采用自动喷焊铁基不锈钢材料，硬度35 ～ 38HRC，实现可靠密封。

　　(9) 蝶板采用斜拉筋板桁架式设计( 图3) ，采取双短轴驱动结构使其具有过流面积大，流阻小，强度高，承载能力强，刚性好等特性。

　　图3 斜拉筋板桁架式设计

　　(10) 采用双向对开卡环轴向限位( 图4) ，限制蝶板在阀体中的位置。

(a) 上对开卡环 (b) 下对开卡环

图4 双向对开卡环限位结构

　　(11) 选择合理的密封副结构，减小偏心力矩，保证理想的反向密封效果。

　　(12) 阀杆密封采用上下金属压环和金属环将PTFE 成型V 形填料分成两组的结构形式，V 形填料可通过填料压盖上的螺栓从外部进行调整( 图5) 。金属环通过外部油杯将密封油脂注入V 形填料作为辅助密封。填料压盖采用加载机构，自动保证V 形填料的压紧力度，长期使用密封效果好。

图5 阀杆密封

3、CAE、CFD 分析

　　三偏心真空蝶阀采用斜拉桁架组焊结构形式。应用cosmosworks 软件对蝶板进行有限元分析，求解出蝶板在受压情况下的应力分布及变形情况( 图6、图7) ，以对其进行优化设计。

图6 蝶板应力分布

图7 蝶板变形量

　　通过对蝶板的有限边界条件设定及网格划分，应用cosmosworks 对蝶板载荷加载并对其结构进行分析，确定蝶板最大应力为80. 73MPa，最大变形量为0. 115mm，满足设计要求及工况的使用。

图8 蝶板开启30°时压力分布

图9 蝶板开启60°时压力分布

图10 蝶板开启90°时压力分布

4、流场分析

　　应用Flowworks 对阀门不同开度时的压力分布进行模拟，观察不同开度下蝶阀的内部流体压力变化情况( 图8 ～ 图10) 和流通性能，为真空蝶阀流阻系数的测定及内部特性曲线的绘制提供相关数据。

5、结语

　　通过采用先进的设计手段进行模拟和仿真，对真空蝶阀的设计方案进行整机设计、密封设计、真空度保证设计以及流阻系数等方面的验证，结合设计制造成功经验，确定蝶阀的设计方案能满足产品的使用要求。

参考文献

　　〔1〕杨源泉. 阀门设计手册〔M〕. 北京: 机械工业出版社，1992.
　　〔2〕陆培文. 实用阀门设计手册〔M〕. 北京: 机械工业出版社，2002.