减压阀设计计算与工作原理详解

（１）减压阀的设计计算

１）设计已知条件。设计减压阀时一般应给出下列条件：

①介质种类及性质；

②进口压力ｐ_１及其变化范围Δｐ_１；

③出口压力ｐ_２及允许波动范围Δｐ_２；

④质量流量ｑ_ｍ及变化范围Δｑ_ｍ（或体积流量ｑ_Ｖ及变化范围Δｑ_Ｖ）。

减压阀的流量一般由使用单位提供，但对于通用范围较广的减压阀，亦可用下列方法计算。

ａ.质量流量ｑ_ｍ。对于水和空气，质量流量ｑ_ｍ按式（４-３３）计算：

式中 ｑ_ｍ——质量流量（ｋｇ/ｓ）；

ＤＮ——阀门公称尺寸（ｍｍ）；

ｕ——介质的流动速度（ｍ/ｓ），按表４-１３３选取；

ρ——介质的密度（ｋｇ/ｍ^３）。

对于蒸汽，质量流量ｑ_ｍ按式（４-３４）计算：

式中 ν——蒸汽的比体积（ｍ^３/ｋｇ）。

ｂ.体积流量ｑ_Ｖ。

表４-１３３ 介质的流动速度ｕ

２）主阀流通面积及主阀瓣开启高度的计算。

①主阀瓣流通面积的计算。

ａ.液体介质。对于不可压缩的流体，如水和其他液体介质，根据流量的基本方程可得出主阀的流通面积：

Δｐ_ｚ=ｐ_１-ｐ_２ （４-３７）

式中 Ａ_ｚ——主阀的流通面积（ｍｍ^２）；

μ——流量系数，见表４-１３４；

Δｐ_ｚ——减压阀进口和出口的压差（ＭＰａ）；

ｐ_１——减压阀进口压力（ＭＰａ）；

ｐ_２——减压阀出口压力（ＭＰａ）。

ｂ.理想气体。

表４-１３４ 流量系数

当σ≤σ^∗时，主阀的流通面积：

式中 σ——减压阀的减压比；

σ^∗——临界压力比；

κ——等熵指数；

ｃ_ｐ——比定压热容[Ｊ/（ｋｇ·ｋ）]；

ｃ_Ｖ——比定容热容[Ｊ/（ｋｇ·ｋ）]；

ｇ——重力加速度（ｍ/ｓ^２）；

ν_ｊ——进口处流体在ｐ_１绝对压力下的比体积（ｍ^３/ｋｇ）。

当σ＞σ^∗时，主阀的流通面积：

σ^∗、κ等量数值见表４-１３５。

表４-１３５ σ^∗、κ等数表

ｃ.干饱和蒸汽，σ≤σ^∗。

当ｐ_ｊ≤１１ＭＰａ时，主阀的流通面积：

当１１ＭＰａ≤ｐ_ｊ≤２２ＭＰａ时，主阀的流通面积：

ｄ.空气或其他真实气体。

当σ≤σ^∗时，主阀的流通面积：

式中 Ｍ——气体的摩尔质量（ｋｇ/ｋｍｏｌ）；

Ｔ——减压阀进口热力学温度（Ｋ）；

Ｚ——压缩系数，如图４-１５７所示，对于通常试验条件下的空气取１。

用式（４-３６）～式（４-４２）计算的流通面积仅是理论值。实际上，为了改善调节性能，选用的流通面积比理论计算值大２～４倍，主阀的实际流通面积为

式中 Ａ_ｚ——主阀的实际流通面积（ｍｍ^２）；

Ｄ_ｔ——主阀的通道直径（ｍｍ）。

为了满足上述要求，通常根据不同介质按经验选取主阀的通道直径：液体介质为Ｄ_ｔ=ＤＮ；蒸汽介质为Ｄ_ｔ=０.８ＤＮ；空气介质为Ｄ_ｔ=０.６ＤＮ。ＧＢ/Ｔ １２２４６的规定，先导式减压阀主阀的通道直径一般不小于０.８ＤＮ。

②主阀瓣开启高度的计算。主阀瓣开启后，与阀座形成一个环形面积，此面积应大于或等于主阀瓣的流通面积。对于不同形式的阀瓣采用不同的方法计算主阀瓣的开启高度。

ａ.平面密封阀瓣。如图４-１５８所示，理论开启高度为

式中 Ｈ_ｚ——主阀瓣的理论开启高度（ｍｍ）。

选定实际开启高度时，应大大超过理论开启高度Ｈ_ｚ值，一般可取为

式中 Ｈ′_ｚ——主阀瓣的实际开启高度（ｍｍ）。

图４-１５７ 压缩系数ｚ与对比压力ｐ_ｒ和对比温度Ｔ_ｒ的关系

注：ｐ_ｃ—介质临界点绝对压力（ＭＰａ） Ｔ_ｃ—介质临界点绝对温度（Ｋ） ｐ—减压阀进口处介质绝对压力（ＭＰａ）

图４-１５８ 平面密封阀瓣

图４-１５９ 锥面密封阀瓣

ｂ.锥面密封阀瓣。如图４-１５９所示，理论开启高度为

式中 α——锥角（°）；

Ｈ_ｚ１——主阀锥面的垂直开启高度（ｍｍ）。

Ｈ_ｚ１按式（４-４７）计算为

选定实际开启高度Ｈ′_ｚ时，应使Ｈ′_ｚ＞Ｈ_ｚ。

ｃ.双阀瓣密封结构。如图４-１６０所示。双阀瓣密封结构往往在大口径（ＤＮ≥１５０ｍｍ）的减压阀上采用。计算时，应首先求出总的节流面积，然后再计算大阀瓣、小阀瓣的节流面积以及它们的开启高度。从结构上分析，可能产生的最大有效开启高度为

大阀瓣的最大开启高度为（当Ｈ_ｚ＞２ａ时）

式中 Ｈ_ｄ——大阀瓣的开启高度（ｍｍ）；

Ａ_ｄ——大阀瓣的节流面积（ｍｍ^２）。

Ａ_ｄ按式（４-５０）计算为

Ａ_ｄ=Ａ_ｚ-Ａ_ｃ

式中 Ａ_ｃ——小阀瓣的节流面积（ｍｍ^２）。

（４-５０）图４-１６０ 双阀瓣密封结构

Ａ_ｃ按式（４-５１）计算为

式中 Ｈ_ｃ——小阀瓣的开启高度（ｍｍ）。

Ｈ_ｃ可根据流量的最小范围由设计选定。设计时，应使最大有效开启高度Ｈ_ｚ＞Ｈ_ｄ。而总的开启高度为

Ｈ_ｚ=Ｈ_ｄ+Ｈ_ｃ （４-５２）

３）副阀流通面积及副阀瓣开启高度的计算。

①副阀泄漏量。计算副阀瓣流通面积之前，必须首先确定副阀的泄漏量（即副阀的流量）。当流体从阀前流经副阀时，一部分通过副阀阀杆；另一部分通过活塞环与气缸的间隙向低压端泄漏。同时亦依靠这种不断的流体消耗而使副阀腔体和活塞上腔保持所需的压力ｐ_ｈ，否则无法进行正常的减压工作。

副阀的泄漏量由通过活塞环的泄漏量和副阀阀杆的泄漏量两部分组成，即

ｑ_ｆ=ｑ_ｆ１+ｑ_ｆ２ （４-５３）

式中 ｑ_ｆ——通过副阀的泄漏量（ｋｇ/ｓ）；

ｑ_ｆ１——通过活塞环的泄漏量（ｋｇ/ｓ）；

ｑ_ｆ２——通过副阀阀杆的泄漏量（ｋｇ/ｓ）。

对于活塞环和副阀阀杆，它们的进口压力均为ｐ_ｎ，出口压力均为ｐ_２。出口压力ｐ_２的临界值ｐ_Ｌ按式（４-５４）计算为

式中 ｐ_Ｌ——临界压力（ＭＰａ）；

ｐ_ｈ——作用于活塞上腔的绝对压力（ＭＰａ）；

ｚ_１——活塞环数。

ｐ_ｈ可按图４-１６１所示的受力情况计算如下：

式中 Ａ_ｔ——主阀瓣通道面积（ｍｍ^２）；

Ｆ_ｍ——活塞环的摩擦力（Ｎ）；

Ｆ_ｚｔ——主阀瓣弹簧作用力（Ｎ）；

Ｆ_ｈ——活塞和主阀瓣的重力（Ｎ）；

Ａ_ｈ——活塞面积（ｍｍ^２）；

ｆ_ｌ——摩擦系数，取０.２；

Ｆ_ｌ——活塞环对气缸壁的作用力（Ｎ）；

ｑ——活塞环对气缸壁的比压（ＭＰａ）；

Ｂ_ｌ——活塞环和气缸的接触面积（ｍｍ^２）；

Δ——活塞环处于自由状态和工作状态时缝隙之差（ｍｍ）；

ｈ——活塞环的径向厚度（ｍｍ）；

Ｅ——活塞环的弹性模数（ＭＰａ），当采用铸铁时可取１×１０^５；

Ｄ_ｈ——活塞直径（ｍｍ），一般取１.５Ｄ_ｔ；

ｂ——活塞环的宽度（ｍｍ）；(www.xing528.com)

λ_１——主阀瓣弹簧的刚度（Ｎ/ｍｍ）；

Ｈ——主阀瓣开启高度（ｍｍ）；

Ｆ_ａ——主阀瓣弹簧安装负荷（Ｎ），近似为１.２Ｆ_ｈ。

图４-１６１ 作用在活塞上的力

有时，对作用于活塞上腔的压力ｐ_ｈ亦可按经验取进、出口压力的平均值，即

泄漏量按两种情况分别计算如下。

ａ.当出口压力大于临界压力，即ｐ_２＞ｐ_Ｌ时：

Ａ_１=πＤ_ｈδ （４-６５）

式中 μ——流量系数，见表４-１３４；

Ａ_ｌ——活塞环与气缸之间的间隙面积（ｍｍ^２）；

ν_ｈ——流体在ｐ_ｈ绝对压力下的比体积（ｍｍ^３/ｋｇ）；

Ａ_２——副阀阀杆与阀座之间的最大间隙面积（ｍｍ^２），按配合公差计算；

ｚ_２——副阀阀杆上的迷宫槽数；

δ——活塞环与气缸之间的间隙（ｍｍ），一般取δ=０.０３。

ｂ.当出口压力小于或等于临界压力，即ｐ_２≤ｐ_Ｌ时：

②副阀流通面积。副阀的泄漏量（即其流量）确定后，便可以进行流通面积的计算。计算原理与主阀瓣相同。

ａ.液体介质。

Δｐ_ｆ=ｐ_ｈ-ｐ_２

式中 Ａ_ｆ——副阀的流通面积（ｍｍ^２）；

Δｐ_ｆ——副阀的压力差（ＭＰａ）；

ｑ_ｆ——副阀的体积泄漏量（ｍ^３/ｓ）。

ｂ.理想气体。

当σ_ｆ≤σ^∗时，副阀的流通面积为

式中 σ_ｆ——副阀的减压比。

当σ_ｆ＞σ^∗时，副阀的流通面积为

ｃ.干饱和蒸汽，σ_ｆ≤σ^∗。

当ｐ_ｈ≤１１ＭＰａ时，副阀的流通面积为

当１１ＭＰａ≤ｐ_ｈ≤２２ＭＰａ时，副阀的流通面积：

ｄ.空气或其他真实气体。

当σ_ｆ≤σ^∗时，副阀的流通面积为

用式（４-６８）～式（４-７３）计算的流通面积仅是理论值，实际流通面积为

式中 ｄ_ｆ——副阀阀座直径（ｍｍ），由设计给定。

实际取值时，应该使Ａ′_ｆ＞Ａ_ｆ。

③副阀瓣开启高度。副阀瓣通常采用锥面密封，开启高度可按下式计算：

式中 Ｈ_ｆ——副阀瓣开启高度（ｍｍ）；

Ｈ_ｆ１——副阀瓣开启后密封锥面间的垂直距离（ｍｍ）。

在结构设计时，应使实际开启高度Ｈ′_ｆ＞Ｈ_ｆ。

４）弹簧的计算。减压阀弹簧主要包括主阀瓣弹簧、副阀瓣弹簧和调节弹簧等。计算时，应首先确定弹簧的最大工作负荷，据此再确定弹簧钢丝的直径。亦可以根据结构情况先选定标准弹簧，然后进行核算。有关弹簧的基本计算公式和数据见ＧＢ/Ｔ １２３９《普通圆柱螺旋弹簧》。

①调节弹簧的负荷。从力的平衡关系可以得出调节弹簧的负荷为

Ａ_ｍ=０．２６２（Ｄ^２_ｍ+Ｄ_ｍｄ_ｍ+ｄ^２_ｍ） （４-７８）

式中 Ｆ_ｆ——调节弹簧的负荷（Ｎ）；

Ｆ_ｆａ——副阀瓣弹簧的安装负荷（Ｎ），取副阀瓣重力的１.２倍；

λ_ｆ——副阀弹簧的刚度（Ｎ/ｍｍ）；

Ａ_ｍ——受压膜片的有效面积（ｍｍ^２）。

Ｄ_ｍ——膜片有效直径（ｍｍ）；

ｄ_ｍ——调节弹簧垫块直径（ｍｍ）。

②调节弹簧的尺寸。调节弹簧的负荷确定后，可根据ＧＢ/Ｔ １２３９《普通圆柱螺旋弹簧》来计算和选定弹簧的钢丝直径、圈数、刚度、间距、自由长度等，并验算材料的切应力。

５）膜片的计算。减压阀的膜片（薄膜）通常是一侧受介质出口压力ｐ_ｃ的作用，另一侧受调节弹簧力的作用，两者保持平衡，如图４-１６２所示，膜片材料可根据介质的特性选择金属（铜、不锈钢等）和橡胶等。

图４-１６２ 膜片的受力

有关金属和橡胶膜片强度的计算，推荐下述方法，仅供设计者参考。

①金属膜片。对于无中间夹持圆板的金属膜片，其应力可参考式（４-７９）计算：

式中 σ_ｍ——金属膜片的应力（ＭＰａ）；

Ｅ——材料的弹性模量（ＭＰａ），对于钢为２.２×１０^５ＭＰａ，对于黄铜为１.２×１０^５ＭＰａ；

Ｄ_ｍ——膜片直径（ｍｍ）；

δ_ｍ——膜片的厚度（ｍｍ），当材料为１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ、Ｄ_ｍ为２５～６０ｍｍ时，一般取０.１～０.３ｍｍ。

金属膜片的挠度按式（４-８０）计算：

式中 ｆ_ｍ——金属膜片的挠度（ｍｍ）。

②橡胶膜片。橡胶膜片的厚度可参考式（４-８１）计算：

式中 Ａ_ｍｚ——膜片的自由面积（ｍｍ）；

[τ]——橡胶材料的许用切应力（ＭＰａ），可参照表４-１３６选取。

表４-１３６ 橡胶的许用切应力[τ] （单位：ＭＰａ）

６）减压阀静态特性偏差值的验算。先导式减压阀的性能主要取决于副阀的性能，实际上是把副阀当作反作用式减压阀的性能来考虑。

①流量特性偏差值。稳定流动状态下，当进口压力一定时，减压阀流量变化所引起的出口压力变化值即为流量特性偏差值。其值按式（４-８２）验算：

式中 Δｐ_ｃｌ——流量特性偏差的计算值（ＭＰａ）；

λ_ｔ——调节弹簧刚度（Ｎ/ｍｍ）；

ΔＨ_ｆ——由于流量改变而引起的副阀瓣开启高度变化值（ｍｍ）。

对于先导式减压阀，ＧＢ/Ｔ １２２４６《先导式减压阀》标准要求的流量特性负偏差值见表４-１３７。

经验算的流量特性偏差值应小于或等于标准规定的偏差值。

②压力特性偏差值。出口流量一定，进口压力改变时，出口压力的变化值即为压力特性偏差值。其值按式（４-８３）验算：

式中 Δｐ_ｃｙ——压力特性偏差的计算值（ＭＰａ）；

Δｐ_１——进口压力的变化值（ＭＰａ）。

对于先导式减压阀，ＧＢ/Ｔ １２２４６《先导式减压阀》要求的压力特性偏差值见表４-１３８。

表４-１３７ ＧＢ/Ｔ １２２４６规定的流量特性负偏差值 （单位：ＭＰａ）

表４-１３８ ＧＢ/Ｔ １２２４６规定的压力特性偏差值 （单位：ＭＰａ）

经验算的压力特性偏差值应小于或等于标准规定的偏差值。

７）先导式减压阀设计的基本要求。ＧＢ/Ｔ １２２４６《先导式减压阀》标准对零部件的设计及材料的选用提出了一些具体要求。

①零部件要求。

ａ）阀体两端连接法兰的流道直径应相同，且与公称尺寸一致。

ｂ）阀体底部应设有排泄孔，并用螺塞堵封。

ｃ）主阀座喉部直径一般不小于０.８ＤＮ。

ｄ）导阀瓣采用锥面密封，其密封面宽度不大于０.５ｍｍ。

ｅ）导阀瓣上端面与膜片应有０.１～０.３ｍｍ的间隙。

ｆ）弹簧的设计制造应按ＧＢ/Ｔ １２３９《圆柱螺旋弹簧》中二级精度的规定。其调节弹簧压力级按表４-１３９的规定。

表４-１３９ 调节弹簧压力级分档 （单位：ＭＰａ）

ｇ）弹簧指数（中径和钢丝直径之比）应在４～９范围内选取。

ｈ）弹簧两端应各有不少于３/４圈的支承面，支承圈不应小于一圈。

ｉ）弹簧的工作变形量应在全变形量的２０%～８０%范围内选取。

②材料要求。除了下面规定的材料外，其他经试验证明确实不降低使用性能和寿命的材料允许代用。

ａ）阀体、上、下阀盖的材料应按ＧＢ/Ｔ １２２２６《通用阀门 灰铸铁件技术条件》、ＧＢ/Ｔ １３４８《球墨铸铁件》、ＧＢ/Ｔ １２２２８《通用阀门 碳素钢锻件技术条件》、ＧＢ/Ｔ １２２２９《通用阀门 碳素钢铸件技术条件》及ＧＢ/Ｔ １２２３０《通用阀门 奥氏体钢铸件技术条件》的规定。

ｂ）其他主要零件的材料应按表４-１４０规定选取或按订货合同的规定。

表４-１４０ 主要零件的材料

（２）减压阀的工作原理

１）直接作用薄膜式减压阀，如图４-１４２所示。当出口侧压力增加，薄膜向上运动，阀开度减小，流速增加，压降增大，阀后压力减小；当出口侧压力下降。薄膜向下运动，阀开度增大，流速减小，压降减小，阀后压力增大。阀后的出口压力始终保持由整定调节螺钉整定的恒压。

２）直接作用波纹管式减压阀，如图４-１４８所示。当出口侧压力增加，波纹管带动阀瓣向上运动，阀开度减小，流速增加，压降增大，阀后压力减小；当出口侧压力下降，波纹管带动阀瓣向下运动，阀开度增大。流速减小，压降减小，阀后压力增大，阀后的出口压力始终保持由整定调节螺钉整定的恒压。

３）先导活塞式减压阀，如图４-１４１所示。拧动调节螺钉，顶开导阀阀瓣，介质从进口侧进入活塞上方，由于活塞面积大于主阀瓣面积，推动活塞向下移动，使主阀打开，由阀后压力平衡调节弹簧的压力改变导阀的开度，从而改变活塞上方的压力，控制主阀瓣的开度，使阀后的压力保持恒定。

４）先导薄膜式减压阀，如图４-１５０所示。当调节弹簧处于自由状态时，主阀和导阀都是关闭的。顺时针转动手轮时，导阀膜片向下，顶开导阀，介质经过导阀至主阀片上方，推动主阀，使主阀开启，介质流向出口，同时进入导阀膜片的下方，出口压力上升至与所调弹簧力保持平衡。如出口压力增高，导阀膜片向上移动，导阀开度减小。同时进入主阀膜片下方介质减少，压力下降，主阀的开度减小，出口压力降低达到新的平衡，反之亦然。

５）气泡式减压阀，如图４-１５１所示。依靠阀内介质进入气泡的压力来平衡压力的减压阀。该减压阀薄膜上腔的压力由旁路调节阀控制，当出口压力升高时，出口端的介质压力通过旁路调节阀，进入膜片的下方，使膜片向上，带动阀瓣运动，阀的开度减小。当出口端的压力下降时，气泡内的压力就向下压膜片，膜片带动阀瓣运动，使阀的开度增大，从而使压力上升。出口压力总保持在预先整定的恒压。

６）组合式减压阀，如图４-１５２所示。减压阀由主阀、导阀、截止阀组成。当调节弹簧处于自由状态时，主阀和导阀呈关闭状态。拧动调节螺钉，由介质推开导阀，同时进入腔室１与调节弹簧的压力保持平衡，进入主阀橡胶薄膜腔室２，使橡胶膜片向上，打开主阀，介质流向出口（此时截止阀打开，保持腔室２一定的压力），出口介质再反馈至橡胶薄膜上方腔室３和导阀下方腔室４。当出口压力增高时，传导阀的膜片上移，导阀的开度减小，使腔室１的介质压力下降，同时腔室２的压力也下降，主阀橡胶薄膜下移，主阀的开度减小，出口压力下降，达到新的平衡，反之亦然。

７）杠杆式减压阀，如图４-１５３和图４-１５４所示。该减压阀通过杠杆上的重锤平衡压力。其动作原理是当杠杆处于自由状态时，双阀座的阀瓣和阀座处于关闭状态。在进口压力作用下，向上推阀瓣，出口端形成压力，通过杠杆上的平衡重锤，调整重量传达到所需的出口压力。当出口压力超过给定压力时，由于介质压力作用于上阀座上的力比作用于下阀座上的力大，形成一定压差，使阀瓣向下移动，减小节流面积，出口压亦随之下降；反之亦然，达到新的平衡。

８）先导波纹管式减压阀，如图４-１５５所示。拧动调节螺栓，顶开导阀阀瓣，介质从进口侧进入波纹管的上方，由于波纹管面积大于主阀瓣面积，推动波纹管向下移动，使主阀打开，由阀后压力平衡装置的压力改变导阀开度，从而改变波纹管上方的压力，控制主阀瓣的开度，使阀后的压力保持平衡。