低噪音迷宫调节阀设计

作  者：吴杰
摘  要：低噪音迷宫调节阀已在生产实践中广泛使用，并在控制噪音和防止汽蚀方面取得了良好的效果。本文所给出的设计思路及经验计算公式，旨在供同行参考。有错误之处，谨请批评指正。
关键字：低噪音迷宫调节阀 设计思路

2 迷宫结构
    迷宫套筒是由多片迷宫芯片叠加后经真空钎焊而成。芯片的结构如图3所示。芯片表面刻有多条弯曲的沟槽，弯曲的沟槽增加了流体运动的阻尼，起到了多级降压作用，使压降平均分布在各个拐角处，从而达到有效控制流速的目的。图2中波谷P3和波峰V3表示高压差流体通过调节阀节流断面时引起的压力大幅下降以及速度剧增，其结果会产生巨大的噪音以及对阀内件的冲刷和汽蚀等严重不良后果。而采用迷宫套筒后，压力-速度曲线变得平稳过渡。既达到调节阀降压和调节流量的目的，又消除了不良后果，提高了阀门寿命。

    3 流路设计
    图3中所示液体的流向为侧进底出，而气体和蒸汽则相反为底进侧出。这是因为液体是不可压缩性流体，采用侧进底出可使芯片内各流路出口处的高速液体在迷宫套筒中心轴线上互相碰撞，抵消各自能量，形成液体缓冲垫，从而进一步降低流速，减少了高速液体对阀体及阀内件的冲刷。高压差气体和蒸汽是可压缩性流体，经迷宫芯片降压后，体积急剧膨胀，这就要求出口处流路的流通截面积大于入口处，故采用底进侧出，否则会影响降压效果。

    阀体通路设计时，首先要根据阀门通径D（见图4）选定迷宫套筒的尺寸D1，然后再设计D2。对小口径（小于50mm）阀门，套筒中心与阀体中心同心。而对于50mm以上阀门，则最好将套筒中心与阀体中心偏心设计，通过偏心量e来控制从迷宫套筒内流出的各个方向流体的速度（液体的运动方向相反）。使V1>V2>V3，这样各路流体到达阀出口处时，其运动速度就基本一致，从而避免产生涡流。

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    4 材料选择
    材料选择主要是指阀内件材料，包括阀芯、阀座和迷宫套筒。选择材料时要考虑到材料的热膨胀系数和热处理后的硬度。即套筒的热膨胀系数≥阀芯的热膨胀系数，套筒和阀芯都要有一定的硬度或硬度差，以防止工作时阀内件咬死，提高阀门寿命。具体可参考表1。

表1 阀内件材料

 5 迷宫芯片设计及Cv计算
    设计芯片时主要考虑到流体的降压及气体体积的膨胀，因此设计每个沟槽流路时要将流通截面积按一定比例逐级等比放大。图5中入口槽宽度为W，第一个拐角处宽为r·W，第n个拐角处宽为rn·W。r为扩张系数即等比系数，图中Wmin为芯片钎焊时各沟槽之间的最小距离。在保证Wmin的前提下，每片芯片上的沟槽流路数越多，则芯片流通能力越大。
    芯片流通能力为
    Cvd=h·W·N·K1
    式中：Cvd--单片芯片的流通力图5芯片沟槽设计

    h -- 沟槽深度，mm
    W -- 槽入口宽度，mm
    N -- 沟槽流路数
    K1-- 单片芯片流通系数（取决于扩张系数r及拐角数n）
    扩张系数r可取1~1.2，单个沟槽流路上拐角数n取决于压差。压差越大，n数增加，同时K1也就变小，Cvd随之减小。例如：r=1.072时，n=2，K1=19.7；n=8，K1=13.7。
    迷宫阀的总流通能力Cv受2个因素影响，即阀座流通能力Cvb及迷宫套筒流通能力Cvc。从理论上讲提高Cvb或Cvc可以使阀Cv的增加。但阀座流通能力Cvb取决于阀的公称通径，公称通径确定后，一般阀座直径也就确定了，所以Cvb是定值。此时阀的Cv随Cvc的变化而变化。然而，当Cvc>Cvb时，继续提高Cvc，阀的Cv几乎没什么变化。因为此时阀的Cv又受制于Cvb。Cvc若设计得太大，迷宫套筒的尺寸就很大，价格就变得很贵。所以Cvc的最大值应是接近于Cvb，即Cvc≈Cvb。
    阀门的总流通能力
    
    式中：D--阀座直径，mm
          K--总流通能力系数，直通阀取21，角阀取31
          M--迷宫套筒所叠加的芯片数，取决于阀的行程
    6 结语
    低噪音迷宫调节阀已在生产实践中广泛使用，并在控制噪音和防止汽蚀方面取得了良好的效果。本文所给出的设计思路及经验计算公式，旨在供同行参考。有错误之处，谨请批评指正。
    参考文献
    [1] J.L.莱昂斯.阀门技术手册[M].北京：机撼工业出版杜.1991
    [2] 杨源泉 阀门设计手册[M].北京；机械工业出版社.1992