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调节阀流量系数与可调比关系

作者:科姆  来源:互联网  更新时间:2019-12-25 14:21:38  点击次数:

 调节阀有两种基本的流量特性:

线性流量特性调节阀流量系数与可调比关系.jpg

等百分比流量特性Ф=Ф0Rh (2)

式中:Ф为对应某开度是的流量系数;R为可调比;h为相对开度;Ф0为h=0是的流量系数。

按照传统的解释,可调比 R 是指所能控制最大流量的比值,即

调节阀流量系数与可调比关系1.jpg

在设计调节阀时,需先设定一个R值,然后计算各开度下的流量系数Ф,以此作为设计阀芯曲线和套简窗口的依据。国内调节阀行业的两次统一设计,都是在设定R=30前提下,计算出了各开度对应的流量系数理论值(见表 1)。

表 1 R=30 调节阀各相对开度的流量系数 Ф流量特性Ф0各相对开度 Ф 值0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0线性3.3313.0022.6732.3342.0051.6761.3371.0080.6790.33100.00等百分比3.334.686.589.2512.9918.2625.6536.0550.6571.17100.00            

从应用角度,希望调节阀的放大倍数 KD 大一些,而 KD 与可调节比 R 有关,

线性特性调节阀流量系数与可调比关系2.jpg

等百分比特性调节阀流量系数与可调比关系3.jpg

式中:L为全行程开度。可以看出,增大KD,应提高R值,因此,制造厂都将可调比大于某一数值作为一项性能指标予以标明。但是调节阀R值越大,设计制造难度越大。对单、双座调节阀,若R值过大,阀芯制造时会在90%~100%开度范围内产生根切现象;对套筒调节阀,若R值太大,在90%~100%开度范围内会因窗口尺寸过宽而无法制造。这些都限制了R值的提高。

制造厂是在R=30前提下设计制造出调节阀产品,但对调节阀产品实际R值是多大、它与R=30的偏差等问题,目前尚未引起人们的重视。由于,设计人员对R值的认识仅局限在Qmax和Qmin的比上,而Qmin只是个理论上存在的数值,无法进行测量,因此认为实际可调比也是无法计算的。在目前见到的有关调节阀的资料中,尚未看到这方面的论述。国内外调节阀的 标准中,也未提出对R值的测量、计算和考核办法。这是由于对可调比概念的片面理解所造成的,现在有必要从可调比与流量系数的关系入手作进一步探讨与研究。

1、可比阀与流量特性曲线的关系

从流量系数的计算公式可以看出,R值取决于,但它决定了任意一个相对行程时的流量系数值。因此,无论从调节阀的设计、制造和应用角度讲,这一点都具有很重要的实际意义。因为,任何调节阀都不可能使用在它的最小开度,也就是不会用其Qmin来工作,大量的使用场合是在某一开度(一般在全行程的20%~80%)上对流量进行控制。此时,调节阀的流量系数大小决定了调节阀的工作开度,流量系数相对于行程的变化量决定了调节阀的放大倍数,这些均与R值有关。因此,不能简单地从Qmax和Qmin的比去理解R值,而应当把R值看作是整个流量特性曲线的一个特征参数。

分析式(1)、式(2)与式(3)、式(4)可以看出,R 值变化对线性流量特性影响不大,特别在R>1时,Ф与KD均与R值无关;对等百分比特性影响则较大,因此本文讨论值对流量系数的影响仅限于等百分比特性。

当R值作为流量特性曲线的一个特征参数时,可以设想将全行程的流量特性曲线看成由几个不同R值决定的几段流量特性曲线组合而成。在0~80%开度时,R值取大一些,使调节阀在工作行程范围内有足够的R值,也就是有足够的放大倍数。在80%~100%开度范围,R值取小一些,使调节阀制造过程中,阀芯曲线和套筒开窗都容易实现。提高工作开度下的R值,也可以作为在调节阀设计中探索提高流通能力的一个途径。分段取不同的R值这一思想,已从IEC534—2—4(草案)和国外一些调节阀流量系数表中体现出来,这时可调比的含义已经不再是Qmax和Qmin之比了,它应当作为流量特性曲线的一个特征参数被认识、被研究。

2 R值计算方法

调节阀实际可调比R值是可以计算出来的,根据公式(2)可推导出

lnФ=lnФ0+hlnR(6)

在lnФ—h坐标系中,等百分比流量特性曲线是一直线,R值实际上决定了该直线的斜率。实际测量一台调节阀的流量特性,可以得到若干组(Ф,h)数据,由于制造和测量误差,这些测量值在lnФ—h坐标系中呈近似直线分布,并认为这条近似直线就是这台调节阀的实际流量特性曲线。要得到这样一条直线,并使其最接近坐标系中的这些点,建议用最小二乘法求解。

在测量一台调节阀于不同开度时的流量系数时,可以得到相对行程和流量系数的K组数据,代入公式(6)得到方程组

调节阀流量系数与可调比关系4.jpg

式中:Ф0,R为这台调节阀的实际值,可从方程组(7)中用最小二乘法求其近似值:

调节阀流量系数与可调比关系5.jpg

一般情况下取10个开度进行测量,即hi分别去0.1,0.2,0.3,…,1.0。此时有K=10,调节阀流量系数与可调比关系6.jpg=5.5;调节阀流量系数与可调比关系7.jpg=3.85,代入式(8)则有

调节阀流量系数与可调比关系8.jpg

将测量所得流量系数Фi代入公式(9),即可解出该台调节阀的实际可调比R值。若将表 1中等百分比流量系数的理论值代入公式(9),即可反算出R=30。按式(9)解出的是全行程的可调比,为了准确了解调节阀在工作段的可调比,hi可分别取 0.2,0.3,…,0.8,即k=7,调节阀流量系数与可调比关系9.jpg=3.5,调节阀流量系数与可调比关系10.jpg=2.03,则有

 

调节阀流量系数与可调比关系11.jpg

代入20%~80%开度时的各流量系数,可以得到该段流量特性的R值。同样,将表 1中理论值数据代入式(10),也可反算出 R=30。由于式(9)、式(10)中Ф值都是以比值形式出现,无论用绝对流量系数或相对流量系数计算其结果都是相等的。因此,用来计算 R 值是很方便的。同样,当需要计算任意段流量特性曲线的 值时,都可以推出相应的计算公式。

3 国内外一些调节阀 R 值的比较

依据式(9)用国内统一设计的双座调节阀和联合设计的套筒调节阀,以及Fisher公司的ED型套筒阀的流量系数计算相应的R值,其结果见表 2~表 4。

从表中可以看出,尽管双座调节阀和套筒调节阀在设计时预先设定 R=30,但实际生产的各种规格的调节阀其 R 值是不相同的。

表 2 双座调节阀流量系数 Ф 值及 R 计算值公称通径 DN×dN各相对开度 Ф 值可调比 R0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0252.654.577.8412.7617.9625.0435.0049.1174.53103.3951.5323.096.309.9013.9918.9024.6030.1042.8074.40100.0034.6407.4410.2811.5213.2216.8821.9228.8252.8478.9292.0017.4507.6811.8914.9018.4022.9029.5037.8053.5070.4098.2014.6653.957.7211.3615.5320.2026.5636.5150.7777.5399.5828.9803.347.6410.4914.6319.8528.0037.7550.2875.4997.2532.41004.707.6810.3214.2018.8127.3537.0252.8272.3997.6027.11254.146.499.4712.8919.3727.6137.3451.8866.66103.6332.31502.555.708.5012.4218.1725.4534.9848.4876.7496.8145.7200  12.2016.1020.1025.1032.0046.5075.80100.5020.0表 3 套筒调节阀流量系数 Ф 值及 R 计算值公称通径 DN×dN各相对开度 Ф 值可调比 R0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0254.107.9012.1016.5020.4029.6042.2061.0081.50103.0030.940            C=162.126.0610.0014.3118.7524.7534.5051.0673.7596.8845.360            C=256.549.1211.7614.8420.2428.1638.6056.0078.0099.2021.3503.106.459.9015.0522.4832.5046.5067.5090.5097.7545.2653.256.8310.2414.6320.6327.4640.3258.7386.35107.9441.2804.207.6711.1014.9721.0529.7040.6060.5080.1092.6029.91003.577.3711.0315.2121.8030.3944.1364.9082.0693.2334.9125            C=2503.697.0010.8015.2421.2029.8041.6059.6087.60102.8036.9125            C=3703.347.1410.8415.1921.8931.6245.9565.4182.4393.2437.52003.176.9010.7915.6622.4131.9042.7660.3481.2196.0337.83003.316.9210.5414.5420.2328.6243.8564.2382.3194.0838.3表 4 Fisher 公司 ED 型套简阀流量系数 Ф 值及 R 计算值公称通径 DN×dN各相对开度 Ф 值可调比 R0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01*1/4×1*5/160.7831.542.202.894.215.767.8310.914.117.227.41*1/2×1*7/81.522.633.875.417.4511.217.424.530.835.836.32×2*5/161.662.934.666.9810.816.525.437.350.759.757.62*1/2×2*7/83.437.1310.815.122.433.749.271.189.599.441.33×3*7/164.327.5310.917.127.243.566.097.012013654.24×4*3/85.8511.618.330.249.779.712517120522464.86×712.925.843.367.410416223931636839447.18×8L=218.538.058.486.713018926837147656741.98×8L=327.058.110518830747860569576181843.1            

比较表 2、表 3、表 4 还可以看出,国产调节阀的R值比国外调节阀小,国内双座阀-1-151120093011V1.jpg=30.5、套简阀R-1-151120093011V1.jpg=36.2;Fisher公司ED型套简阀-1-151120093011V1.jpg=45.9。

再按式(10)计算国内套简阀和Fisher公司ED型套简阀在工作行程段(h=0.2~0.8)时的R值,并与全行程时的R值相比较,结果见表 5 与表 6。可以看出,国产套简阀工作行程段的R值和全行程R值接近,无显著改变,-1-151120093011V1.jpg=34.2,而Fisher公司套简阀在工作行程段的R值明显高于全行程的R值,-1-151120093011V1.jpg=60.5。

提高工作行程段的R值,其优越性在于它能更好地满足自控系统的需要,还能提高80%开度时的流量系数值,从而使全开时阀的流通能力有较显著的提高。通过对R值的分析比较,说明了国内外调节阀在设计水平上存在一定的差距。

表 5 国产套筒调节阀 R 值套筒阀行程段套筒阀各规格 R 值R 平均2040            C=1640            C=25506580100125            C=250125            C=370200300全行程30.945.321.345.241.229.934.936.937.537.838.336.2h=0.2~0.826.928.920.549.233.429.535.433.039.235.238.434.2表 6 Fisher 公司套筒阀 R 值套筒阀行程段套筒阀各规格 R 值R 平均1*1/4×1*5/11*1/2×1*7/82×2*5/162*1/2×2*7/83×3*7/164×4*3/86×78×8L=28×8L=3全行程27.435.357.641.354.264.867.141.943.145.9h=0.2~0.825.841.569.746.278.199.769.045.069.760.5

4、对 IEC 534—2—4(草案)的理解IEC 534—2—4(草案)第3.3款对等百分比流量特性做了如下规定:

“在h=0.2和 h=0.8之间,任意两个相邻流量系数发表值的对数之间的差值应在0.13和0.2范围内”。“低于h=0.2这两个值相应为0.13和0.25;高于h=0.8,此值应相应为0.03 和0.2”。

这里作为流量特性偏差范围的选取,应当看作是按R值的变化范围决定的,试计算

R=20,0.1×logR=0.13

R=100,0.1×logR=0.20

R=300,0.1×logR=0.25

R=2,0.1×logR=0.03

也就是说,流量特性偏差实际上是分段限制R值的变化范围,即

h=0.2~0.8,R=20~80;

h=0.8~1.0,R=2~100;

h=0~0.2,R=20~300;

IEC 的这一规定正是体现了将R值作为流量特性曲线的一个特征参数,并实现了在全行程范围内可以取不同R值这一设计思想。而国标GB 4213—84《气动调节阀通用技术条件》在这个问题上是和IEC标准存在一定差异的。深入讨论R值及流量系数的关系,无论对设计、制造、应用调节阀都有一定的意义,对加强调节阀的基础理论研究,提高我国调节阀设计制造水平,都是十分必要的。

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