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(jian)的(de)蒸(zheng)汽疏水閥根據原理(li)可(ke)分為機械型(xing)、熱(re)靜力(li)型(xing)和熱(re)動力(li)型(xing)。熱(re)靜力(li)型(xing)疏水閥實(shi)質(zhi)上是一種自力(li)式溫(wen)度(du)控制閥，可(ke)以通過調節排(pai)放一定(ding)的(de)過冷和過熱(re)度(du)的(de)凝(ning)結水與蒸(zheng)汽，節能效果顯著，在不同場合得到應用。

雙金屬型疏水閥是上世(shi)紀(ji)五十年代(dai)中期興起的(de)，目前仍然是世(shi)界范圍內(nei)熱靜(jing)力型(xing)(xing)疏(shu)水(shui)閥(fa)的(de)最主要(yao)(yao)產品。它是利用(yong)兩種溫(wen)(wen)度(du)(du)膨(peng)脹(zhang)系數相差(cha)很(hen)大(da)的(de)雙金屬(shu)組(zu)(zu)件作(zuo)(zuo)為(wei)閥(fa)門的(de)熱動力元件，雙金屬(shu)組(zu)(zu)件根據蒸(zheng)汽系統溫(wen)(wen)度(du)(du)和壓力的(de)不(bu)同(tong)(tong)，可在不(bu)同(tong)(tong)介質溫(wen)(wen)度(du)(du)中產生不(bu)同(tong)(tong)的(de)變形并產生推力（或拉力），控(kong)制閥(fa)芯的(de)開、閉，起到阻汽排(pai)水(shui)作(zuo)(zuo)用(yong)。利用(yong)該基本(ben)原理，不(bu)同(tong)(tong)廠家開發(fa)了形形色(se)色(se)的(de)雙金屬(shu)片組(zu)(zu)件，常見的(de)有圓(yuan)盤型(xing)(xing)、懸臂梁型(xing)(xing)、簡支梁型(xing)(xing)、星(xing)型(xing)(xing)等。本(ben)文主要(yao)(yao)探討了圓(yuan)盤型(xing)(xing)雙金屬(shu)片式蒸(zheng)汽疏(shu)水(shui)閥(fa)雙金屬(shu)片組(zu)(zu)件針對不(bu)同(tong)(tong)工況的(de)設(she)計問題，以期為(wei)雙金屬(shu)片式蒸(zheng)汽疏(shu)水(shui)閥(fa)的(de)設(she)計與開發(fa)提供(gong)理論依據和參考。

二 結構與工作原理

以 TB 可調(diao)溫型為例(li)說明：圓盤(pan)雙(shuang)(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)片(pian)式蒸汽疏(shu)水(shui)閥結構主要由閥體、雙(shuang)(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)片(pian)組(zu)(zu)件(jian)(jian)、調(diao)節組(zu)(zu)件(jian)(jian)、SCCV 組(zu)(zu)件(jian)(jian)組(zu)(zu)成。常溫下(xia)(xia)(xia)，雙(shuang)(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)片(pian)呈平展(zhan)狀(zhuang)態，閥門開(kai)啟(qi)，低(di)(di)溫凝結水(shui)和空氣迅速排放(fang)出去，如(ru)圖(tu)(tu) 1 所示(shi)。當閥內溫度(du)升高時，閥芯(xin)在雙(shuang)(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)片(pian)變(bian)(bian)形(xing)力的(de)作用下(xia)(xia)(xia)向下(xia)(xia)(xia)移動，排水(shui)量減小。閥內溫度(du)更(geng)高時，雙(shuang)(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)片(pian)變(bian)(bian)形(xing)加劇，迫使(shi)閥芯(xin)下(xia)(xia)(xia)移關(guan)閉，如(ru)圖(tu)(tu) 1（右）所示(shi)。閥內溫度(du)降低(di)(di)后，雙(shuang)(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)片(pian)變(bian)(bian)為平展(zhan)狀(zhuang)態，在彈力的(de)作用下(xia)(xia)(xia)，閥芯(xin)開(kai)啟(qi)排水(shui)，回到常溫狀(zhuang)態。

圖(tu) 1 一種圓盤雙金屬(shu)式疏水閥的(de)結(jie)構

調節(jie)組件可以通過旋(xuan)轉調節(jie)螺母來調節(jie)雙金屬片(pian)組件的初始位移，調節(jie)排水溫(wen)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

首先假(jia)設：（1）把雙金屬片看(kan)成一剛(gang)性簡支(zhi)梁；（2）忽(hu)略變形(xing)對其剪力的影響（則用中性層曲(qu)(qu)(qu)率表示(shi)的彎曲(qu)(qu)(qu)變形(xing)公式也(ye)可用于一般非純彎曲(qu)(qu)(qu)）。

圖 2

則如(ru)圖 2 所示雙金屬片產生了一定的彎(wan)曲變(bian)形，設(she)中心處垂直方向上的變(bian)形量為 f，任一點 x 處的彎(wan)矩與撓度的關系為：

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——雙金屬片上任一點到其邊緣的距離(li)（m）。

由于(yu) df/dx 的值遠小于(yu) 1，略(lve)去后積(ji)分并令(ling)：

由于本研究的是(shi)如圖 3 所示的環(huan)形(xing)雙(shuang)金屬片，則(ze)：

圖 3

2.2 計算熱推力

又有關系式：

則：一組金屬片的熱(re)推力為：

除去凝結水作用在金屬片上的(de)壓力(li)后(hou)的(de)熱推力(li)為：

則：n 組金屬(shu)片的熱推力(li)：

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(jin)屬(shu)片組的個(ge)數。

2.3 雙金屬片導閥所需動作平衡力

閉閥后，閥內部力的平(ping)衡方程式(shi)如(ru)下(xia)：

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——許用密封比壓（Pa）。

2.5 雙金屬片組片數 n 的確定

結(jie)合（7）、（8）、（9）和（10）式，得：

四 結論

當溫差(cha)、熱推力不變(bian)時(shi)，可以通過改變(bian)雙(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)片(pian)的幾何參數 D、d、S 或者在(zai)雙(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)片(pian)的形狀確定(ding)后通過選用不同材料來達到不同的設計對(dui)單片(pian)雙(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)片(pian)的要求。當所需平衡動作力較(jiao)大時(shi)，通過疊加雙(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)片(pian)來實現。

本文的推導(dao)與(yu)論述，以期為圓盤型雙(shuang)金屬型疏水閥(fa)關鍵部件——雙(shuang)金屬組件設計(ji)提(ti)供(gong)一(yi)定(ding)的依據，以及給其它(ta)型式雙(shuang)金屬疏水閥(fa)的開發(fa)提(ti)供(gong)參(can)考。