1 引言

调节阀的密封性能是调节阀最重要的技术性能指标，而执行机构提供的驱动力的大小又是影响调节阀密封性能的最重要的因素之一。目前，在化工、石油、电站等很多工业部门中，普遍使用的调节阀产品在介质压差超过一定程度以后，特别是一些大口径的调节阀产品，其泄漏量不容易保证，鉴于以上存在的问题，本文提出了一种先导式笼式调节阀结构来解决介质压差高且要求泄漏量低的工况场合。

2 先导式笼式调节阀

先导式笼式调节阀是一种改进型压力平衡式调节阀，与普通笼式调节阀相比，具有单独的压力平衡式先导阀芯，能实现小开度调节。该阀密封效果好，切断能力强，适用于控制各种高温的高压流体，可作放空切断阀使用。

2.1 先导式笼式调节阀的结构

本文提出的先导式笼式调节阀的结构，如图1所示。主要由阀体、阀座、阀塞部件（如图2所示，主要由阀塞、蝶型弹簧、压盘、防转螺钉、先导阀芯、阀杆组成）、石墨碳环、套筒、上阀盖等零部件组成。

图1 先导式笼式调节阀

图2 阀塞部件

2.2 先导式笼式调节阀的结构设计要点

阀内采用套筒和嵌有石墨碳环的阀塞的结构，利用套筒内表面及石墨碳环导向。套筒上开设不同形状的窗口以满足所需的流量特性。嵌入石墨碳环可以增加阀塞部件的稳定性，限制阀塞与套筒因温度原因需设计较大的间隙，从而造成间隙流通能力与先导阀芯通道流通能力不匹配的问题。

采用先导阀芯来减小阀门在开闭时所受到的流体不平衡力，使阀门能够比较平稳的进行开启和关闭。先导阀芯与阀塞之间的密封通道要满足流通能力大于阀塞与套筒间隙的流通能力。先导阀芯的行程应控制在阀门总行程的10%以下，否则将会产生阀门打不开或小流量范围无法调节的问题。

为控制先导阀芯和阀塞上、下方向的振动趋势，在先导阀芯和阀塞之间设置有碟型弹簧。碟型弹簧在较小的空间内能承受极大的载荷，与其他类型的弹簧比较，碟型弹簧单位体积的变形能力较大，具有良好的缓冲吸震能力，特别是采用叠合组合时，由于表面摩擦阻力作用，吸收冲击和消散能量的作用更显著。改变碟片数量或碟片的组合形式，可以得到不同的承载能力，当一些碟片损坏时，只需个别更换，因而有利于维护和修理。

采用双重密封结构：阀塞与阀座之间的密封；先导阀芯与阀塞之间的密封。此种特殊结构的设计使得与普通阀门相比密封更加严密，开关阀门的驱动力更小，泄漏等级得到进一步提高。

防转螺钉装在压盘和先导阀芯之间，避免在受到介质的冲刷，产生不平衡力时，阀塞与先导阀芯之间发生相对转动。当介质压差较高时，为了减小摩擦力，防止阀杆发生扭转而损坏，增加阀门的使用寿命，可以设计阀塞部件整体防转的结构。

为了保证阀门具有良好的耐摩伤性能和耐腐蚀性能，提高阀门密封面的硬度，可对其密封面采用合金堆焊工艺，对套筒的内表面采用合金喷焊工艺。

2.3 先导式笼式调节阀的工作原理

如图3所示的工作原理。阀门关闭时，阀杆在执行机构驱动力的作用下向下移动，由于重力作用，阀塞先与阀座密封面接触，阀杆继续向下移动，压缩碟型弹簧后，先导阀芯关闭，此时，介质通过阀塞与套筒之间的间隙进入套筒上腔，使阀塞部件形成背压力，更加有利于阀塞与阀座之间的密封。当先导阀芯与阀塞满足密封比压时，介质压力越高，阀门密封越严密。当阀门打开时，执行机构带动阀杆向上运动，同时在碟型弹簧的反作用力的辅助推动下，首先打开先导阀芯，卸去背压力，从而以较小的驱动力打开阀塞。

图3 先导式笼式调节阀的工作原理

3 执行机构驱动力的计算

为了使调节阀能正常工作，配用的执行机构需要能够产生足够的驱动力来克服各种阻力，以保证阀门的严密密封。依据阀门参数，建立力平衡关系式，如果阀门所需的执行机构驱动力为F，它的力平衡方程式[4]为：

F=Fp+Fm+Ft+Ff-Fw-Fb      （1）

式中

Fp—作用在阀塞和先导阀芯上的不平衡力（N）

Fm—阀门关闭时，阀塞相对阀座的密封以及先导阀芯相对阀塞的密封所附加的压紧力（N）

Ft—阀塞部件中碟型弹簧的作用力（N）Ff—阀塞部件所受的摩擦力（N）

Fw—阀塞部件的重量（N）

Fb—阀塞所受的背压力（N）

其中根据经验数据，在正常的润滑的情况下，摩擦力Ff=0.15F，且相对于执行机构的驱动力而言，阀塞部件的重量相对较小，可忽略，因此在计算阀门所需执行机构驱动力时，一般可以把式（1）简化为：

F=（Fp+Fm+Ft-Fb）/0.85          （2）

式中 Fp（Fb）=△P×SFm=a×D

△P—阀门关闭压差（N/cm²）

S—承载不平衡力的截面面积（cm²）

a—泄漏等级常数（N/mm），阀门泄漏等级达到ANSIV（泄漏量符合ANSIFCI70.2-2006标准）时，a=32～50.6

D—阀塞与阀座密封处以及先导阀芯与阀塞密封处的周长（mm）

从以上计算可以看出，先导式笼式调节阀比普通笼式调节阀多了一个阀门背压力，在相同工况的情况下，先导式笼式调节阀只需要选择驱动力较小的执行机构，既能完全满足密封条件。

4 结束语

先导式笼式调节阀结构设计独特，泄漏等级高，对执行机构驱动力要求较小，且介质压差越大，背压力越大，阀门密封越严密，密封等级也就越高，完全适用于介质压差较高和大口径要求切断的场合。