上海滬工閥門廠（集團(tuán)）有限公司

一 概述

蒸汽作為重要的二次能源，在眾多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。蒸汽系統(tǒng)消耗煤占產(chǎn)量的 1/3，已成為能源消耗的重要領(lǐng)域。蒸汽疏水閥則是保障蒸汽系統(tǒng)正常工作、凝結(jié)水回收利用、節(jié)約能源的重要自力式控制類閥門。常見(jiàn)的蒸汽疏水閥根據(jù)原理可分為機(jī)械型、熱靜力型和熱動(dòng)力型。熱靜力型疏水閥實(shí)質(zhì)上是一種自力式溫度控制閥，可以通過(guò)調(diào)節(jié)排放一定的過(guò)冷和過(guò)熱度的凝結(jié)水與蒸汽，節(jié)能效果顯著，在不同場(chǎng)合得到應(yīng)用。

雙金屬型疏水閥是上世紀(jì)五十年代中期興起的，目前仍然是世界范圍內(nèi)熱靜力型疏水閥的最主要產(chǎn)品。它是利用兩種溫度膨脹系數(shù)相差很大的雙金屬組件作為閥門的熱動(dòng)力元件，雙金屬組件根據(jù)蒸汽系統(tǒng)溫度和壓力的不同，可在不同介質(zhì)溫度中產(chǎn)生不同的變形并產(chǎn)生推力（或拉力），控制閥芯的開、閉，起到阻汽排水作用。利用該基本原理，不同廠家開發(fā)了形形色色的雙金屬片組件，常見(jiàn)的有圓盤型、懸臂梁型、簡(jiǎn)支梁型、星型等。本文主要探討了圓盤型雙金屬片式蒸汽疏水閥雙金屬片組件針對(duì)不同工況的設(shè)計(jì)問(wèn)題，以期為雙金屬片式蒸汽疏水閥的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供理論依據(jù)和參考。

二 結(jié)構(gòu)與工作原理

以 TB 可調(diào)溫型為例說(shuō)明：圓盤雙金屬片式蒸汽疏水閥結(jié)構(gòu)主要由閥體、雙金屬片組件、調(diào)節(jié)組件、SCCV 組件組成。常溫下，雙金屬片呈平展?fàn)顟B(tài)，閥門開啟，低溫凝結(jié)水和空氣迅速排放出去，如圖 1 所示。當(dāng)閥內(nèi)溫度升高時(shí)，閥芯在雙金屬片變形力的作用下向下移動(dòng)，排水量減小。閥內(nèi)溫度更高時(shí)，雙金屬片變形加劇，迫使閥芯下移關(guān)閉，如圖 1（右）所示。閥內(nèi)溫度降低后，雙金屬片變?yōu)槠秸範(fàn)顟B(tài)，在彈力的作用下，閥芯開啟排水，回到常溫狀態(tài)。

圖 1 一種圓盤雙金屬式疏水閥的結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)組件可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母來(lái)調(diào)節(jié)雙金屬片組件的初始位移，調(diào)節(jié)排水溫度。

三 雙金屬組件熱動(dòng)力元件受力分析

2.1 建立熱推力 F 與撓度 f 的數(shù)學(xué)模型

首先假設(shè)：（1）把雙金屬片看成一剛性簡(jiǎn)支梁；（2）忽略變形對(duì)其剪力的影響（則用中性層曲率表示的彎曲變形公式也可用于一般非純彎曲）。

圖 2

則如圖 2 所示雙金屬片產(chǎn)生了一定的彎曲變形，設(shè)中心處垂直方向上的變形量為 f，任一點(diǎn) x 處的彎矩與撓度的關(guān)系為：

式中：
D——雙金屬片內(nèi)徑（m）；
E——雙金屬片彈性模量（Pa）；
l——雙金屬片截面的極慣性鉅（m⁴）；
F——一片雙金屬片產(chǎn)生的熱推力（N）；
f——雙金屬片中心處垂直方向上的變形量（m）；
x——雙金屬片上任一點(diǎn)到其邊緣的距離（m）。

由于 df/dx 的值遠(yuǎn)小于 1，略去后積分并令：

由于本研究的是如圖 3 所示的環(huán)形雙金屬片，則：

圖 3

2.2 計(jì)算熱推力

又有關(guān)系式：

則：一組金屬片的熱推力為：

除去凝結(jié)水作用在金屬片上的壓力后的熱推力為：

則：n 組金屬片的熱推力：

式中：
P₀——進(jìn)口壓力（Pa）；
k——比彎曲（℃-1）；
T——雙金屬片變形后的溫度（℃）；
T₀——雙金屬片開始變形時(shí)的溫度（℃）；
n——雙金屬片組的個(gè)數(shù)。

2.3 雙金屬片導(dǎo)閥所需動(dòng)作平衡力

閉閥后，閥內(nèi)部力的平衡方程式如下：

F₁≥F₂-F₃

即：

式中：
F₂——閥瓣關(guān)閉后其閥孔前的力（N）；
F₃——閥瓣關(guān)閉后其閥孔后的力（N）；
n——雙金屬片組的個(gè)數(shù)；
P₁——閥瓣關(guān)閉后其閥后壓力（Pa）；
A₀——閥座孔截面積（m²）。

2.4 密封比壓 q 的選擇

密封比壓的計(jì)算：

式中：
Q_MZ——閥座密封面上的總作用力（N）；
d_m——閥座密封面內(nèi)徑（m）；
b_m——閥座密封面寬度（m）；
q——密封比壓（Pa）；
q——許用密封比壓（Pa）。

2.5 雙金屬片組片數(shù) n 的確定

結(jié)合（7）、（8）、（9）和（10）式，得：

四 結(jié)論

當(dāng)溫差、熱推力不變時(shí)，可以通過(guò)改變雙金屬片的幾何參數(shù) D、d、S 或者在雙金屬片的形狀確定后通過(guò)選用不同材料來(lái)達(dá)到不同的設(shè)計(jì)對(duì)單片雙金屬片的要求。當(dāng)所需平衡動(dòng)作力較大時(shí)，通過(guò)疊加雙金屬片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本文的推導(dǎo)與論述，以期為圓盤型雙金屬型疏水閥關(guān)鍵部件——雙金屬組件設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)，以及給其它型式雙金屬疏水閥的開發(fā)提供參考。