1 概述

    控制阀是过程控制回路的一个环节，过程控制技术发展是控制阀技术改进完善的动力。V形切口球体具有等百分比的流量特性，这种控制阀有良好的可调比、控制和关闭能力。在造纸工业、石油化工、污水处理工厂和电力工业等领域应用广泛。

    2 性能

    2.1 定义

    控制阀是过程控制系统中调节流体流量并由动力操作的装置^[1，2]，它包括一个连接执行机构的阀。执行机构能响应系统发出的信号，改变阀内截流件的位置。美国仪表学会（ISA）将控制阀定义为是由阀体组件、执行机构组件和控制附件等组合的控制节流装置并接受标准控制信号，实现阀瓣开度控制和程序逻辑二位式开或关控制。美国Fisher公司的《控制阀手册》在过程控制术语部分将控制阀作为组合体，其包括安装在阀体组件上的所有分组件，即阀体组件、执行机构、定位器、调压器、转换器、电磁阀和限位开关等，通常简称控制阀。

    按阀内截流件运动形式区分，控制阀主要有直动式和旋转式两种。旋转式控制阀的流体截流元件（全球、部分球、阀瓣或球塞）在流体通道里旋转，以控制阀门流量。V形切口球体旋转控制阀的流体截流元件是V形切口扇形球阀瓣，属于部分球体旋转控制阀类。

    2.2 结构

    V形切口球体旋转控制阀在结构上类似于球阀，不同部分在于流体截流元件为扇形部分球体。在球体上具有V形切口形成的节流轮廓设计，属美国Fisher公司的技术。V形切口球体旋转控制阀是一种通用型控制阀，其直通式结构设计，流路通畅，流动阻力小，压力恢复系数FL值较小，具有高压力恢复能力，产生的压力降较小，流量系数较大。可降低能耗，经济适用。

    V形切口球体旋转控制阀的阀瓣和阀体设计构成的流路适合于冲刷性或粘滞性流体、纸浆等包含混合固体、纤维浆料的流体。其独特的流路设计形成了近似等百分比流量特性，可调比大于300:1，具有连续二位式逻辑开、关切断控制功能。工作适应范围广，控制功能强。

    球体的控制开度通常为90°，阀座相对静止。在球体旋转和关闭时产生剪切效果，克服颗粒纤维粘附现象。保证优良的切断密封性能和可靠性。组合式密封阀座结构，适应工况范围广，可靠性高。其标准法兰连接端有无法兰连接端和有法兰连接端两种形式。两种法兰连接端形式都符合相关标准，可满足ANSI 150、300、600压力等级范围的标准配对。无法兰连接端阀体较轻小，有法兰连接端阀体载荷能力强。

    2.3 配置

    执行机构选配方便灵活，可组配标准的薄膜式执行机构，具有可靠性高，经济，简单的特点。组配活塞直动和旋转式执行机构，提供较大推力和转矩，满足较大压差以及重载控制的要求，也可根据现场的条件和要求，组配其他类型（如电动、液动、电-液动等）执行机构。并可根据需要选配仪表附件，在DCS系统里完成每一个控制回路的过程控制的功能要求。

    3 发展概况

    V形切口球体旋转控制阀由美国Fisher公司首创，已拥有V100、V150、V200、V300等系列。口径范围DN25-300，压力等级ANSI 150、300、600，流量系数C_v8.4~3980。V形大口径系列的口径范围DN350~600，压力等级ANSI 150、300，流量系数C_v5610~10300。另有V250系列，偏心球系列V500和DV500。精小流量Vee-Ball口径范围DN25~50。

    Fisher Vee-Ball具有同类产品中的控制精度，良好的剪切能，较小的死区和运动损失。内件可换，降低备件库存。HD金属密封，耐磨损，配合特殊设计的内件，可抗侵蚀，防气蚀或降躁声。Fisher V500和DV500为过程工业提供了两种特别耐冲蚀的控制阀。阀瓣为偏心设计，从316不锈钢到陶瓷等多种阀内件，具有优异的耐冲蚀性能。SS138A型Vee-Ball装有可调金属密封和一个V形球体，能实现微流量控制（图2）^[3]。

    美国Valtek公司的Shear Stream Control Valves系列V形切口球体旋转控制阀的结构设计和Fisher公司的V150系列类同。欧洲Neless公司Reduced-borequarter-turnvalve系列V形切口球体旋转控制阀的结构设计分为微小量、低躁声、高粘度和低流阻等4种型式。

    日本KOSO公司210C、210E、220E系列，球体采用了同心和偏心两种结构设计，具有互换性。日本山武公司空调用全V形切口球体旋转控制阀驱动轴球体系列，改进了节流口设计，提高了控制精度，延伸了小流量控制功能。

    欧洲GOSCO工程公司的VARI-V系列V形切口球体旋转控制阀系列，在提高流量特性控制精度方面有大的突破，结构设计独特。将节流口设计在阀座上，便于修正固有流量特性，扩大了应用范围（图3）^[4]。

    Fisher公司V500、DV500、SS138A的开发研制集中反映了其新品开发的顺应性思维，采取控制阀体各组件结构性能改善提高的方法，重点完善了定位器执行机构。改进阀体组件结构设计后，在死区的减磨和提高特性精度等控制性能方面有明显改善。另外日本KOSO公司210C、210E、220E系列的互换性，山武公司在小流量延伸控制方面以及欧洲GOSCO工程公司在提高流量特性控制精度上的突破都是产品技术进步的新思维。

    4 三偏心阀瓣设计

    三偏心阀瓣具有很多优点，①密封性好，阀瓣越旋越紧，锥面锁密封定位，有利于开关，无过位，消除了密封启闭空程，改善了小开度控制特性。②耐磨损，叠片弹性金属硬密封阀座，三偏心锥面密封阀瓣，消除了阀座密封摩擦力。③操作方便，90°全行程。三偏心阀瓣结构见图4。

    （1）假设

    设当e=0时，P₁、K₂和P₂、K₁的旋转轨迹圆分别为n和m，其半径分别为R_n和R_m且满足R_n<R_m。

    （2）a和的求解

    在xoy坐标系中，P₁和P₂的坐标为

    则直线P₀P₁的斜率为

        （1）

    P₀P₁的方程为y=K_pp+b₁，将P₁点坐标代入，则直线P₀P₁的截距为

        （2）

    K₁和K₂点的坐标为

    则直线P₀K₁的斜率为

        （3）

    P₀K₁的方程为y=K_pkx+b₂，将K₁点坐标代入式（3）中，则直线P₀K₁的截距为

    则P₀的坐标（x₀，y₀）为

    由此求得偏心角α

    通过式（1）~（4）求出K_pp，b₁和K_pk，b₂，代入式（5）和（6），可求出α和β。

    （3）密封副接触范围Δ（图4）

    坐标变换以x′oy′变换为

    x′=xcosα+ysinα，y′=-xsinα+ycosα  （7）

    则P₁和K₂在x′oy′坐标系中的坐标为

    P₁点

    K₂点

    密封副接触范围

        （8）

    （4）轴向偏心L

    设图4中E₀（x₀′，y₀′）为密封副接触位置，E₀点到P₁点的距离为f，则阀座中心线轴向偏心L为

    式中r为阀座密封面的曲率半径，得

        （9）

    （5）阀座通道直径φ

    在Δ范围内密封副的接触轨迹为圆形轨迹，首先，求出密封幅接触轨迹圆的直径φ′，然后求出阀座通道直径φ。据图3，直线P₀P₁在x′oy′坐标系的斜率为K_pp′=tg（α+φ），则其直线方程为

    y′=tg（α+φ）x′+b₁′

    将P₁（x′，y′）代入求得b₁′，然后将x₀′代入求出y₀′，则

    φ值应大于相关标准所规定的*小通道直径。

    在DN100mm PN6.4MPa的结构设计计算时其主要参数α≈2°，β≈96°，Δ≈9.6mm，L≈62.8mm，φ≈106mm>102mm，e=2.5mm，e′=2mm。阀门密封试验达到ANSI B16.104的V级，可控制温度为450~500℃的蒸汽。

    5 结语

    V形切口球体旋转控制阀以本身所具有的特点在过程控制中获得了广泛应用，其中三偏心结构性能独特，具有良好的发展前景。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司