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低噪音迷宮調(diào)節(jié)閥是一種流體壓力平衡型套筒闊（圖1、圖2）。該閥適合于對高壓差流體的控制。由于采用了迷宮套筒，可以完全控制流體流經(jīng)閥內(nèi)件時的流速，從而大幅度降低了高壓差氣體和蒸汽產(chǎn)生的噪音，能有效防止液體產(chǎn)生汽蝕，提高調(diào)節(jié)閥的使用壽命。
一、迷宮結(jié)構(gòu)
迷宮套筒是由多片迷宮芯片疊加后經(jīng)真空釬焊而成。芯片的結(jié)構(gòu)如圖3所示。芯片表面刻有多條彎曲的溝槽，彎曲的溝槽增加了流體運動的阻尼，起到了多級降壓作用，使壓降平均分布在各個拐角處，從而達到有效控制流速的目的。圖2中波谷P3和波峰V3表示高壓差流體通過調(diào)節(jié)閥節(jié)流斷面時引起的壓力大幅下降以及速度劇增，其結(jié)果會產(chǎn)生巨大的噪音以及對閥內(nèi)件的沖刷和汽蝕等嚴重不良后果。而采用迷宮套筒后，壓力-速度曲線變得平穩(wěn)過渡。既達到調(diào)節(jié)閥降壓和調(diào)節(jié)流量的目的，又消除了不良后果，提高了閥門壽命。
二、流路設計
圖3中所示液體的流向為側(cè)進底出，而氣體和蒸汽則相反為底進側(cè)出。這是因為液體是不可壓縮性流體，采用側(cè)進底出可使芯片內(nèi)各流路出口處的高速液體在迷宮套筒中心軸線上互相碰撞，抵消各自能量，形成液體緩沖墊，從而進一步降低流速，減少了高速液體對閥體及閥內(nèi)件的沖刷。高壓差氣體和蒸汽是可壓縮性流體，經(jīng)迷宮芯片降壓后，體積急劇膨脹，這就要求出口處流路的流通截面積大于入口處，故采用底進側(cè)出，否則會影響降壓效果。
閥體通路設計時，首先要根據(jù)閥門通徑D（見圖4）選定迷宮套筒的尺寸D1，然后再設計D2。對小口徑（小于50mm）閥門，套筒中心與閥體中心同心。而對于50mm以上閥門，則最好將套筒中心與閥體中心偏心設計，通過偏心量e來控制從迷宮套筒內(nèi)流出的各個方向流體的速度（液體的運動方向相反）。使V1>V2>V3，這樣各路流體到達閥出口處時，其運動速度就基本一致，從而避免產(chǎn)生渦流。
三、材料選擇
材料選擇主要是指閥內(nèi)件材料，包括閥芯、閥座和迷宮套筒。選擇材料時要考慮到材料的熱膨脹系數(shù)和熱處理后的硬度。即套筒的熱膨脹系數(shù)≥閥芯的熱膨脹系數(shù)，套筒和閥芯都要有一定的硬度或硬度差，以防止工作時閥內(nèi)件咬死，提高閥門壽命。具體可參考表1。
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名稱
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材料 I
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材料Ⅱ
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材料Ⅲ
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材料Ⅳ
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迷宮套筒
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1Cr13/熱處理
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SU5316
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SUS316
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SUS316
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閥芯
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1Cr13/熱處理
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SU5316
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SU5316/部分堆焊司
太萊合金、鍍硬烙 |
SU5316/部分堆焊
司太萊合金 |
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閥芯
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1Cr13/熱處理
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SU5316/TEFLON
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SU5316/部分堆焊司太萊合金
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SU5316/部分堆焊
司太萊合金 |
四、迷宮芯片設計及Cv計算
設計芯片時主要考慮到流體的降壓及氣體體積的膨脹，因此設計每個溝槽流路時要將流通截面積按一定比例逐級等比放大。圖5中入口槽寬度為W，第一個拐角處寬為r·W，第n個拐角處寬為rn·W。r為擴張系數(shù)即等比系數(shù)，圖中Wmin為芯片釬焊時各溝槽之間的最小距離。在保證Wmin的前提下，每片芯片上的溝槽流路數(shù)越多，則芯片流通能力越大。
芯片流通能力為
Cvd=h·W·N·K1
式中：Cvd--單片芯片的流通力圖5芯片溝槽設計
h -- 溝槽深度，mm
W -- 槽入口寬度，mm
N -- 溝槽流路數(shù)
K1-- 單片芯片流通系數(shù)（取決于擴張系數(shù)r及拐角數(shù)n）
擴張系數(shù)r可取1~1.2，單個溝槽流路上拐角數(shù)n取決于壓差。壓差越大，n數(shù)增加，同時K1也就變小，Cvd隨之減小。例如：r=1.072時，n=2，K1=19.7；n=8，K1=13.7。
迷宮閥的總流通能力Cv受2個因素影響，即閥座流通能力Cvb及迷宮套筒流通能力Cvc。從理論上講提高Cvb或Cvc可以使閥Cv的增加。但閥座流通能力Cvb取決于閥的公稱通徑，公稱通徑確定后，一般閥座直徑也就確定了，所以Cvb是定值。此時閥的Cv隨Cvc的變化而變化。然而，當Cvc>Cvb時，繼續(xù)提高Cvc，閥的Cv幾乎沒什么變化。因為此時閥的Cv又受制于Cvb。Cvc若設計得太大，迷宮套筒的尺寸就很大，價格就變得很貴。所以Cvc的最大值應是接近于Cvb，即Cvc≈Cvb。
閥門的總流通能力
式中：D--閥座直徑，mm
K--總流通能力系數(shù)，直通閥取21，角閥取31
M--迷宮套筒所疊加的芯片數(shù)，取決于閥的行程
五、結(jié)論
低噪音迷宮調(diào)節(jié)閥已在生產(chǎn)實踐中廣泛使用，并在控制噪音和防止汽蝕方面取得了良好的效果。本文所給出的設計思路及經(jīng)驗計算公式，旨在供同行參考。有錯誤之處，謹請批評指正。
