上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)（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(yè)領(lǐng)域得到廣泛應用。蒸汽系統消耗煤占產(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正常工作、凝結水回收利用、節約能源的重要自力式控制類(lèi)閥門(mén)。常見(jiàn)的蒸汽疏水閥根據原理可分為機械型、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)調節排放一定的過(guò)冷和過(guò)熱度的凝結水與蒸汽，節能效果顯著(zhù)，在不同場(chǎng)合得到應用。

雙金屬型疏水閥是上世紀五十年代中期興起的，目前仍然是世界范圍內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相差很大的雙金屬組件作為閥門(mén)的熱動(dòng)力元件，雙金屬組件根據蒸汽系統溫度和壓力的不同，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(kāi)、閉，起到阻汽排水作用。利用該基本原理，不同廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)了形形色色的雙金屬片組件，常見(jiàn)的有圓盤(pán)型、懸臂梁型、簡(jiǎn)支梁型、星型等。本文主要探討了圓盤(pán)型雙金屬片式蒸汽疏水閥雙金屬片組件針對不同工況的設計問(wèn)題，以期為雙金屬片式蒸汽疏水閥的設計與開(kāi)發(fā)提供理論依據和參考。

二 結構與工作原理

以 TB 可調溫型為例說(shuō)明：圓盤(pán)雙金屬片式蒸汽疏水閥結構主要由閥體、雙金屬片組件、調節組件、SCCV 組件組成。常溫下，雙金屬片呈平展狀態(tài)，閥門(mén)開(kāi)啟，低溫凝結水和空氣迅速排放出去，如圖 1 所示。當閥內溫度升高時(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。閥內溫度降低后，雙金屬片變?yōu)槠秸範顟B(tài)，在彈力的作用下，閥芯開(kāi)啟排水，回到常溫狀態(tài)。

圖 1 一種圓盤(pán)雙金屬式疏水閥的結構

調節組件可以通過(guò)旋轉調節螺母來(lái)調節雙金屬片組件的初始位移，調節排水溫度。

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 的數學(xué)模型

首先假設：（1）把雙金屬片看成一剛性簡(jiǎn)支梁；（2）忽略變形對其剪力的影響（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(kāi)始變形時(shí)的溫度（℃）；
n——雙金屬片組的個(gè)數。

2.3 雙金屬片導閥所需動(dòng)作平衡力

閉閥后，閥內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；
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

結合（7）、（8）、（9）和（10）式，得：

四 結論

當溫差、熱推力不變時(shí)，可以通過(guò)改變雙金屬片的幾何參數 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)達到不同的設計對單片雙金屬片的要求。當所需平衡動(dòng)作力較大時(shí)，通過(guò)疊加雙金屬片來(lái)實(shí)現。

本文的推導與論述，以期為圓盤(pán)型雙金屬型疏水閥關(guān)鍵部件——雙金屬組件設計提供一定的依據，以及給其它型式雙金屬疏水閥的開(kāi)發(fā)提供參考。