高压减压阀的结构设计与应用

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　　摘 要：高压减压阀的结构是否合理，一定程度上决定着器械的使用性能。基于此，本文首先简要介绍了高压减压阀的原理，分析了器械的功能特点。其次，主要从结构参数、结构功能两方面出发，归纳了高压减压阀的结构设计方法。并以某水电站为例，阐述了高压减压阀的应用方式，分析了应用问题，归纳了性能的优化方法。通过对优化效果的观察，证实了结构优化设计方案的应用价值。
　　关键词：高压减压阀;结构设计;节流锥
　　中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0034-02
　　1 高压减压阀的原理及工作特点
　　1.1 高压减压阀的原理
　　高压减压阀为用于调节出口压力的仪器，可借助介质（如：气体、液体）本身的能量，对管道出口处的压力进行控制。就流体力学而言，减压阀为节流元件的一种，其局部阻力可发生变化，对节流面积进行调整，使流体动能得以增强。应用高压减压阀后，介质及管道内部可发生压力损失，减压的目的由此达成[1]。单独就水利系统而言，高压减压阀所控制的最大流量，应控制为20%～80%，如此及方可获得最佳的流量特性。气动调节阀为高压减压阀的主要组成部分，功能在于稳定气源压力，以利用气源动力实现对压力的调节。
　　1.2 高压减压阀的工作特点
　　高压减压阀的工作特点，主要体现在“可靠性强”、“调节方便”、“节能性强”、“寿命长”四方面，具体如下：（1）可靠性强：将高压减压阀应用到各介质的管道中，可有效实现减压，且效果可靠。应用该器械的管道，出口压力受进口压力以及流量的影响较小，管道内介质的动压、静压均可有效减少，使管道的出口压力维持稳定[2]。（2）调节方便：高压减压阀的应用，同样具有调节方便的优势。应用器械的过程中，有关人员仅需调节先导阀的螺钉，便可实现对管道出口压力的控制，极其快捷。（3）节能性强：高压减压阀阀体的设计模式，以全通道流线型直流式设计为主，应用阀门控制管道出口压力的过程中，压力损失较小，节能性强。（4）寿命长：高压减压阀，具有使用寿命长的特点。该器械体积较小，重量较轻，且重要零件均采用特殊材料制成，无需大量维护，便可正常运行。
　　2 高压减压阀的结构设计方法
　　2.1 结构参数设计
　　2.1.1 弹簧最大直径设计
　　高压减压阀含有弹簧，弹簧的参数是否能够符合需求，是决定高压减压阀应用效果的主要因素。为增强其工作性能，应对结构参数进行设计[3]。假设弹簧的许用应力为φ，旋绕比为5～8，弹簧丝的切应力应采用以下公式计算：
　　Φ=8F2D2K/πd3=8F2KC/πd2≤φ
　　上述公式中，d代表弹簧直径（最大值），F代表工作负荷，D代表弹簧中径。采用上述公式计算后可发现，如弹簧直径d为未知数，则可采用以下公式，对直径进行评估：
　　D≥（1.6F2KC/φ）1/2
　　2.1.2 弹簧刚度及有效圈数
　　除直径外，弹簧的刚度、有效圈数量，同样为影响其性能的主要因素。对此，建议有关人员仍采用公式，对以上两项指标进行计算。弹簧刚度，应采用以下公式计算：
　　K=（GD2/8C4n）N/M
　　上述公式中，K代表刚度，G代表切变模量。将上述各项公式应用到计算的过程中，便可明确弹簧的刚度数据。弹簧的有效圈數，指当处于最大负荷下时，维持出口压力所需要的弹簧的有效圈数，具体计算公式如下：
　　N=[GD2（f2+f0）]/8F2C4
　　上述公式中，N代表弹簧的有效圈数。经计算后，便可明确高压减压阀参数。
　　2.2 结构功能设计
　　高压减压阀中，含有空压机部件。减压阀运行的过程中，空压机可对气体进行压缩，使其压力处于3～5MPa范围内，形成高压空气。经过压缩的空气，可通过阀门的进气口，进入至阀体内部，并经锥型通道节流减压后，进入阀体的气腔之中。此时，气体可自排气孔排除，并进入空压机的调节装置。上述过程中，高压减压阀的各阀门，可被高压气体所带动，使运动状态发生改变，从而使气腔中的压力得以减小。为提高气压的稳定性，有关人员可通过高压减压阀的手柄，对其排出气体的压力进行控制，使其处于一定范围内，避免排出压力受进气压力的影响而发生改变，使高压减压阀的应用性能得以改善。为避免高压减压阀的内部装置被高压气体所破坏，应将膜片置入阀体内部，并设置相应的卸荷孔，使高压气体可通过卸荷孔释放，使结构应用的安全性得以提升。
　　3 高压减压阀的应用
　　3.1 水电站概况
　　高压减压阀在各水电站中均有所应用，可有效调节出水压力，使水电站供水的安全性得以提升。故本部分以某水电站为例，对高压减压阀的应用问题进行了分析。本文所选水电站，装机容量为2×6300kW，为引水式电站。水电站供水的过程中，需采用自动减压的方式对液体压力进行调节，且可通过水泵实现供水。水电站单机组供水时，流量为450m3/h，测量发现，此时的水头为260～240m。采用水泵供水，虽可达到提高供水稳定性的目的，但难以保证供水的连续性。导致上述缺陷存在的原因，与水泵故障发生率高有关。因此，本水电站决定通过自动减压供水的方式实现供水。为使自动减压供水得以实现，应用高压减压阀是关键。
　　3.2 减压系统构成及工作状况
　　3.2.1 减压系统构成
　　本水电站减压系统，主要由取水阀、工作阀、减压阀三部分构成。上述阀门中，高压减压阀的型号为ZJY46H-40CDN150。减压系统运行过程中，出水的压力应控制在0.6MPa左右。进入减压阀的水，可流入至水池之中。本水电站水池，可供两台机组用水。当水流入水池中后，调节阀门可对过流面积进行调节，使其达到稳定、合理的水平。本水电站对高压减压阀性能进行调节前，单台高压减压阀的流量，如需满足机组运行，噪音可达到118dB。除噪音外，高压减压阀使用寿命短的问题，在本水电站中同样显著存在。明确导致该问题出现的原因，并对高压减压阀的性能进行优化，是解决问题的关键。 　　3.2.2 系统工作状况
　　通过对自流减压供水系统工作状况的观察发现，本水电站所使用的高压减压阀，共包括2台，为二级减压。减压阀投入使用1年后，均发生损坏，难以继续投入使用。为满足减压需求，水电站将减压阀更换为了ZJY45H型组合式器械，通过一级减压的方式，达到了稳定出水压力的目的。减压阀使用2年后，噪声有所提高，但性能仍良好，节流锥虽可见气蚀，但仍能够使用。因本水电站生态环境差，水中所含石英砂较多，当水流速度较快时，气蚀问题极容易产生。加之石英砂所带来的磨损，减压阀运行环境较为恶劣。如未对其进行改进，使用寿命将显著缩短。可见，为增强高压减压阀的性能，延长其使用寿命，对其结构进行优化设计较为重要。
　　3.3 高压减压阀的应用试验
　　3.3.1 试验过程与结果
　　为明确高压减压阀应用过程中存在的问题，本水电站通过实验的方式，对其应用状况进行了分析。当减压阀主阀全开程为28mm、调节杆预压高度为89mm时。如出口阀开度减小，出口压力虽有所变化，但幅度较小，对机组运行状态的影响可忽略不计。此时，通过对水流噪声的测量可以发现，水流噪声显著降低。此外，本水电站通过观察，同样发现了以下问题：（1）将出口压力调高后，水流噪声可有所降低，降低数值为6～7dB。（2）当出口阀的开度发生改变后，水流噪声的降低幅度可达到30dB左右。（3）将出水的压力自0.6MPa升高为0.7MPa后，出口阀的机组可有效运行。
　　3.3.2 综合分析
　　高压减压阀的应用试验完成后，本水电站工作人员对其应用状况进行了综合分析，结果显示：（1）将节流锥应用到高压减压阀中，可有效降低水流噪声，表明，节流锥具有一定的应用价值。（2）节流锥应用性能具有穩定性，发生故障的风险小，使用寿命值得肯定，表明，节流锥具有一定的应用可行性。（3）应用节流锥的同时，将调节杆纳入至减压系统中，同样可达到降低水流噪声的目的。实践经验显示，减压阀水流噪声产生的根源，为水流通过节流锥时所产生的涡流。而涡流的大小，则取决于水的流速、流道、节流锥形状等因素。研究发现，高压减压阀内，水的流速与节流锥的开度，存在一定的关联。可见，从改变节流锥形态的角度入手，对高压减压阀结构进行优化设计，可有效解决现有的问题。
　　3.4 高压减压阀问题的解决
　　为使高压减压阀结构不合理的问题得到解决，本水电站将CFD软件应用到了节流锥的设计过程中。本水电站所应用的高压减压阀，需通过调节阀芯开度的方式，使阀芯与阀座之间形成环形通道，从而实现减压。受水流冲击的影响，用于减压的阀芯，将消耗部分能量，导致该部分的水流速度加大，致使压力出现变化。获取高压减压阀的运行参数发现，本水电站的该器械，直径为450mm，压力为2.5MPa，流量为1600m3/h。经过计算发现，工况稳定状态下，当进口压力一定时，对应的高压减压阀开度H同样确定。经计算发现，当减压阀开度H为45mm、35mm、29mm、28mm以及27mm时，出口压力各不一致，H为28mm时，出口压力可满足系统的运行标准（0.6MPa），因此，建议将出口开度控制为28m。
　　3.5 高压减压阀结构的优化及效果
　　为增强高压减压阀的性能，本文对减压阀的节流锥进行了优化，旨在预防空化问题，使噪声得以下降，改善减压系统的运行效果。实践经验显示，空化的问题，一般发生于减压阀阀芯断面靠近上表面的位置。导致上述现象出现的原因，与该部位水流速度的急剧改变有关。将端面与上表面之间的过渡面，改为曲面形结构，可有效增强曲率。此时，水流流道的光滑性将明显提升，噪声以及空化的问题，也将得到解决。为评估高压减压阀结构的优化设计效果，本水电站通过试验的方式，对改进后的高压减压阀性能进行了评价。结果显示，改进后，减压阀的气泡最大体积分数自0.571降低到了0.210，降低幅度高达60%以上，水流噪声同样有所减小，表明，该结构优化方案的应用，取得了良好的效果。
　　4 结语
　　综上所述，本文对高压减压阀的结构设计与应用问题的研究，优化了高压减压阀的结构及性能，有助于全面改善其使用效果，延长其使用寿命。未来，建议以水电站为代表的各领域，主动对高压减压阀进行应用，并根据生产需求，分析减压阀应用过程中存在的问题，对减压阀的结构以及参数进行调整，全面提高生产效率，提高生产及运行的安全性。
　　参考文献
　　[1] 岳鹏.基于Deform软件的减压阀壳体模锻工艺优化[J].热加工工艺，2019，48（03）：167-169+172.
　　[2] 罗宏博，张建锐，曹植.基于AMESim的先导式减压阀动、静态特性仿真分析[J].煤矿机械，2019，40（02）：72-75.
　　[3] 刘文彩，许勇.自来水减压阀结构分析与优化设计[J].液压气动与密封，2018，38（09）：20-25.
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