上海滬工閥門廠（集團）有限公司

一 概述

蒸汽作為重要的二次能源，在眾多工業領域得到廣泛應用。蒸汽系統消耗煤占產量的 1/3，已成為能源消耗的重要領域。蒸汽疏水閥則是保障蒸汽系統正常工作、凝結水回收利用、節約能源的重要自力式控制類閥門。常見的蒸(zheng)汽(qi)疏水閥根據原理(li)可分為機械型(xing)、熱(re)靜(jing)力(li)型(xing)和(he)熱(re)動力(li)型(xing)。熱(re)靜(jing)力(li)型(xing)疏水閥實質(zhi)上是一種自(zi)力(li)式溫度(du)控制閥，可以通過調節(jie)排(pai)放一定的過冷和(he)過熱(re)度(du)的凝結(jie)水與(yu)蒸(zheng)汽(qi)，節(jie)能效(xiao)果顯(xian)著，在不同場合得(de)到應(ying)用。

雙金屬型疏水閥是(shi)上世(shi)紀五十年(nian)代中(zhong)期興起的(de)(de)(de)(de)，目前仍然是(shi)世(shi)界范圍內熱靜力型疏(shu)水閥(fa)的(de)(de)(de)(de)最主要(yao)產(chan)品。它是(shi)利用兩種溫(wen)度(du)膨脹系(xi)(xi)數相差很大的(de)(de)(de)(de)雙(shuang)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)組(zu)件(jian)作為(wei)閥(fa)門的(de)(de)(de)(de)熱動力元件(jian)，雙(shuang)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)組(zu)件(jian)根據蒸汽(qi)(qi)系(xi)(xi)統溫(wen)度(du)和(he)壓力的(de)(de)(de)(de)不同(tong)，可在不同(tong)介質溫(wen)度(du)中(zhong)產(chan)生不同(tong)的(de)(de)(de)(de)變形(xing)并產(chan)生推力（或(huo)拉力），控制閥(fa)芯的(de)(de)(de)(de)開、閉，起到(dao)阻汽(qi)(qi)排水作用。利用該(gai)基本原理(li)(li)，不同(tong)廠家開發(fa)了(le)(le)形(xing)形(xing)色(se)色(se)的(de)(de)(de)(de)雙(shuang)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)片(pian)組(zu)件(jian)，常見(jian)的(de)(de)(de)(de)有圓盤型、懸臂梁型、簡支梁型、星(xing)型等(deng)。本文(wen)主要(yao)探討(tao)了(le)(le)圓盤型雙(shuang)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)片(pian)式蒸汽(qi)(qi)疏(shu)水閥(fa)雙(shuang)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)片(pian)組(zu)件(jian)針對(dui)不同(tong)工況的(de)(de)(de)(de)設(she)計問(wen)題，以期為(wei)雙(shuang)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)片(pian)式蒸汽(qi)(qi)疏(shu)水閥(fa)的(de)(de)(de)(de)設(she)計與開發(fa)提供理(li)(li)論依據和(he)參考。

二 結構與工作原理

以 TB 可調溫型為例說明：圓盤雙(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)金屬(shu)(shu)(shu)片式蒸汽疏水閥(fa)(fa)結構主要由閥(fa)(fa)體、雙(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)金屬(shu)(shu)(shu)片組(zu)(zu)件、調節組(zu)(zu)件、SCCV 組(zu)(zu)件組(zu)(zu)成。常(chang)溫下(xia)，雙(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)金屬(shu)(shu)(shu)片呈平展狀態，閥(fa)(fa)門開啟(qi)，低溫凝結水和(he)空氣迅速(su)排放出去(qu)，如圖(tu) 1 所示。當閥(fa)(fa)內(nei)溫度(du)升高時，閥(fa)(fa)芯在(zai)雙(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)金屬(shu)(shu)(shu)片變形力(li)(li)的作用(yong)下(xia)向(xiang)下(xia)移動，排水量減小。閥(fa)(fa)內(nei)溫度(du)更高時，雙(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)金屬(shu)(shu)(shu)片變形加劇，迫使閥(fa)(fa)芯下(xia)移關閉，如圖(tu) 1（右）所示。閥(fa)(fa)內(nei)溫度(du)降低后，雙(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)金屬(shu)(shu)(shu)片變為平展狀態，在(zai)彈力(li)(li)的作用(yong)下(xia)，閥(fa)(fa)芯開啟(qi)排水，回(hui)到常(chang)溫狀態。

圖 1 一種圓盤雙金屬式疏水閥(fa)的(de)結構

調(diao)節(jie)組件可以(yi)通過旋轉調(diao)節(jie)螺(luo)母來調(diao)節(jie)雙金屬片組件的初始位(wei)移，調(diao)節(jie)排水溫度。

三 雙金屬組件熱動力元件受力分析

2.1 建立熱推力 F 與撓度 f 的數學模型

首先(xian)假(jia)設：（1）把雙金屬片看成一剛(gang)性簡(jian)支梁；（2）忽略變(bian)形對其剪力(li)的影響(xiang)（則用中性層(ceng)曲率表示的彎曲變(bian)形公式也可用于一般非純彎曲）。

圖 2

則如圖 2 所示(shi)雙金(jin)屬片產生了一(yi)定的(de)彎曲變形(xing)，設中心處(chu)垂直方向(xiang)上的(de)變形(xing)量為 f，任(ren)一(yi)點 x 處(chu)的(de)彎矩(ju)與撓度(du)的(de)關系(xi)為：

式中：
D——雙金屬片內徑（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(pian)上任一點到其邊(bian)緣的距(ju)離（m）。

由(you)于 df/dx 的值遠(yuan)小于 1，略去后積分(fen)并令：

由于本研究(jiu)的是如圖 3 所示(shi)的環形雙金屬片，則：

圖 3

2.2 計算熱推力

又有關系式：

則：一組金屬片的熱推力為：

除去凝結水(shui)作用(yong)在金(jin)屬片上的壓力(li)后的熱推(tui)力(li)為：

則：n 組金(jin)屬片的熱推力：

式中：
P₀——進口壓力（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的溫度（℃）；
n——雙金屬(shu)片組的個數。

2.3 雙金屬片導閥所需動作平衡力

閉(bi)閥(fa)后，閥(fa)內部力(li)的平衡方程(cheng)式如下：

F₁≥F₂-F₃

即：

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

2.4 密封比壓 q 的選擇

密封比壓(ya)的計算：

式中：
Q_MZ——閥座密封面上的總作用力（N）；
d_m——閥座密封面內徑（m）；
b_m——閥座密封面寬度（m）；
q——密封比壓（Pa）；
q——許(xu)用(yong)密封比壓（Pa）。

2.5 雙金屬片組片數 n 的確定

結合（7）、（8）、（9）和（10）式(shi)，得：

四 結論

當溫差、熱(re)推(tui)力不(bu)變時(shi)(shi)，可以通過(guo)改變雙金(jin)屬(shu)片的(de)幾何(he)參數 D、d、S 或者在雙金(jin)屬(shu)片的(de)形狀確定后通過(guo)選用不(bu)同(tong)材(cai)料(liao)來達(da)到不(bu)同(tong)的(de)設計對單片雙金(jin)屬(shu)片的(de)要求(qiu)。當所需平(ping)衡動(dong)作力較(jiao)大(da)時(shi)(shi)，通過(guo)疊加雙金(jin)屬(shu)片來實現(xian)。

本(ben)文的推導與論述，以期(qi)為圓盤型(xing)雙(shuang)金(jin)屬(shu)型(xing)疏水閥(fa)關鍵部件——雙(shuang)金(jin)屬(shu)組件設計(ji)提供一定的依據，以及給其它(ta)型(xing)式雙(shuang)金(jin)屬(shu)疏水閥(fa)的開發提供參(can)考。