（安全技术及工程专业论文）直通单座调节阀阀芯形面优化设计.pdf

直通单鹰调节阀阀：占形面优化设计 ii ii_im_ii ii a b s t r a c t t h ed e s i g no fc o n t r o lv a l v e ss p o o l - s h a p e ds u r f a c ei sac o m p l e xt a s k i th a sn o t b e e ns o l v e da th o m ea n da b r o a dy e t t h ec u r r e n tm e t h o do fs p o o l s h a p e ds u r f a c e d e s i g ni sb a s i c a l l yc a r r i e do nr e v o l v i n gt h ef l o we x p e r i m e n t ，b e c a u s ec o n t r o lv a l v e s r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ti sb a s i c a l l yd e c i d e db yt h ef l o wa r e ab e t w e e nv a l v es e a ta n d s p o o la f t e rt h es t r u c t u r eo fv a l v ei sg i v e n h e n c e ，i t c a ng u i d et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ta n dc r o s s - s e c t i o n a la r e af i r s t l y , t h e ni tc a nc o m p l e t e t h ed e s i g np r o c e s sb a s e do nt h ec o m b i n e df l o wt e s tg r a p h i cm e t h o d t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h et h e o r ya n dt h eb a s i cs t r u c t u r eo fc o n t r o lv a l v ef i r s t l y t h e n ，u s i n g t h eb a s i ct h e o r yo ff l u i dm e c h a n i c s ，r e g u l a t e dv a l v ef l o we q u a t i o no nt h e f o u n d a t i o no ft h ea n a l y s i so fv a l v e si nt h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l e a n a l y z e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es i n g l e - s e a tc o n t r o lv a l v e sf l o wa n dc i r c u l a t i o na r e ai nt h e s p o o lv a l v e ，d e r i v e dt h ea p p r o x i m a t ef o r m u l ab e t w e e nc i r c u l a t i o na r e aa n dt h es p o o l d i a m e t e r u s i n gt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ag o e st oc a l c u l a t ea n dd e s i g nt h ep e r c e n t a g e o ft h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sv a l v es p 0 0 1 i td o e sv e r i f i c a t i o nt e s to nt h ed e s i g n e d s p 0 0 1 t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g nm e t h o di sa c c u r a t ea n df e a s i b l e b yc o m p a r i n gt h ed i r e c ts i n g l e - s e a tc o n t r o lv a l v ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h e d e s i g na n dm e a s u r e df l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，f i n do u tt h eg r e a te r r o ru n d e rt h es m a l l o p e n i n g ，t h er e a s o ni st h a tt h ef l o wr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to ft h es i n g l e s e a tc o n t r o l v a l v e si n t e r n a ls t r u c t u r ei si n f l u e n c e dt h ef l o wc o e f f i c i e n tu n d e rt h es m a l lo p e n i n g t om a k et h ev a l v eh a v i n gt h ep e r c e n t a g ew i t hs u c hf e a t u r e su n d e rt h es m a l lo p e n i n g ， i t o p t i m i z e ss p o o lp r o f i l e s u r f a c e t h ee r r o rb e t w e e n o p t i m i z e ds p o o l s f l o w c h a r a c t e r i s t i c sa n d m e a s u r e df l o wc h a r a c t e r i s t i c si ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d k e yw o r d s ： c o n t r o lv a l v e ；v a l v es p o o l ；f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ； o p t i m a ld e s i g n 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：奈缸谚 日期：d 。r 戽j 月p 孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：潞 导师签名：w 鸯悝 日期：d 0 1 年f 月 g 日 日期：d 年十月少吕日 第1 章绪论 1 1 调节阀简介及国内外发展现状 1 1 1 调节阀简介 调节阀又称控制阀，是工艺管路中最终的控制元件，是过程控制系统中用动 力操作去改变流体流量的装置，主要用于调节工业自动化过程控制领域中的介质 流量、压力、温度、液位等工艺参数【1 】【2 1 。 调节阀按行程特点可分为：直行程和角行程。直行程包括：单座阀、双座阀、 套筒阀、角形阀、三通阀、隔膜阀；角行程包括：蝶阀、球阀、偏心旋转阀、全 功能超轻型调节阀。 调节阀按驱动方式可分为：气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀；按调节 形式可分为：调节型、切断型、调节切断型；按流量特性可分为：线性、等百分 比、抛物线、快开。调节阀适用于空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油 品等介质【2 】1 3 】。 1 1 2 调节阀的发展历史和现状 1 1 2 1 调节阀的发展历史 调节阀的发展与工业生产过程的发展密切相关。远古时期，人们为了调节河 流或小溪的水流量，采用大石块或树干来阻止水的流动或改变水的流动方向。埃 及和希腊文明发明了几种原始的阀门类型，用于农作物灌溉等。但是，普遍公认 是古罗马人为了农作物灌溉而开发了相当复杂的水利控制系统，采用旋塞阀和柱 塞阀，并使用止逆阀防止水的逆流。文艺复兴时期，在艺术家和发明家达芬奇 ( l c o n a r d od a v i n c ) 设计的沟渠、灌溉项目和其他大型水力系统项目中使用了阀门， 他的许多技术方案现在仍实际存在。阀门工业的现代历史与工业革命并行，随着 工业革命的深入，1 7 0 5 年，纽康曼( t h o m a sn e w c o m e n ) 发明第一台工业蒸汽发动 机，对蒸汽发动机的运行提出了控制要求，瓦特( j a m e sw a t t ) 发明了第一台调节转 速的控制器，其后，对流体流量的控制越来越被人们重视。最早的调节阀是1 8 8 0 年由w i l l i a m f i s h e r 制造的泵调节器，这是一种带重锤的自力式调节阀，当阀后压 力增大时，在重锤作用下，使调节阀开度减小，从而达到稳定压力的控制效果。 在2 0 世纪2 0 - - 3 0 年代，调节阀以阀体形状为球形的球形阀( b a l lv a l v e ) 为主， 其后，以v 形缺口( v - n o t c h ) 的单座( s i n g l e p o r t ) 和双座( d o u b l e p o r t e d ) 调节阀( g l o b e 直通簟座调节阀阀芯形面优化设计 v a l v e ) 问世。4 0 年代相继出现适用于高压介质的角形调节阀( a n g l ev a l v e ) 、用于腐 蚀性介质的隔膜调节阀( b a r r i e rd i a p h r a g mv a l v e l 和用于大流量应用的蝶阀 ( b u t t e r f l yv a l v e ) 等，并研制了阀门定位器( v a l v ep o s i t i o n e r ) 等产品。1 9 4 9 年在德国 l e v e r k u s e n 成立了化学和石化工业的第一个专业协会一一测量与控制标准协会 n a m u r ( n o r m e na r b e i t s g e m e i n - - s c h a f tm e b u n dr e g e l t e c h n i k ) ，并开展标准的制 定工作。5 0 6 0 年代出现了三通调节阀 ( t h r e e w a yv a l v e ) ，用于配比控制和旁路控 制，也进一步展开对球阀的研究，出现了适用于大压差和降低噪声的套筒调节阀 ( c a g ev a l v e ) 。7 0 年代套筒调节阀被广泛应用于工业生产过程的控制，研制的偏心 旋转阀( e c c e n t r i cp l u gv a l v e ) 成为角行程调节阀的佼佼者。偏心旋转阀具有良好的 密封性、大的流通能力，可应用于较大压差场合。8 0 年代开始，各种精小型调节 阀诞生，它对调节阀执行机构进行的改革使调节阀的重量和高度下降，流通能力 提高。9 0 年代开始，随着计算机控制装置的广泛应用，对智能调节阀的要求也越 来越强烈，相继诞生各种智能电气阀门定位器和带智能阀门定位器的现场总线调 节阀。2 l 世纪初，现场总线调节阀得到应用，随着控制功能的下移，对调节阀的 要求也越来越高。 调节阀与工业生产过程控制的发展同步进行，为提高控制系统的控制品质， 对组成控制系统各组成环节提出了更高要求。例如，对检测元件和变送器要求有 更高的检测和变送精确度，要有更快的响应和更高的数据稳定性；对调节阀等执 行器要求有更小的死区和摩擦，有更好的复现性和更短的响应时间，并能够提供 补偿对象非线性的流量特性等。同时，由于工业生产过程的大型化和精细化，对 调节阀等也提出了更高要求。 1 1 2 2 我国调节阀现状 我国调节阀工业生产的起步较晚。在2 0 世纪6 0 年代开始研制单座阀、双座 阀等产品，主要是仿制前苏联的产品。由于机械工业落后，机械加工精度低，因 此，产品泄漏量较大，但尚能满足当时工业生产过程的一般控制要求。7 0 年代开 始，随着工业生产规模的扩大，工业过程控制要求的提高，一些调节阀产品已不 能适应生产过程控制的要求，例如对高压力、高压降、低温、高温和腐蚀等介质 的控制要求。为此，一些大型石油化工企业在引进设备的同时，也引进了一些调 节阀，例如带平衡阀芯的套筒阀、偏心旋转阀等，为国内的调节阀制造厂商指明 了开发方向。因此，7 0 年代后期，一些制造厂已开始仿制偏心旋转阀等产品。8 0 年代开始，随着我国改革开放政策的贯彻和落实，一些调节阀制造厂引进了国外 著名调节阀厂商的技术和产品，使我国调节阀产品的品种和质量得到明显提高。 例如，生产出各种类型的套筒阀、偏心旋转阀，并开始研制精小型调节阀。随着 大型电站等工业项目的进行，也研制了各种电液执行机构、长行程执行机构等执 砀! 十学位论文 曼曼曼! 皇舅曼曼鼍i l l i l ；i 1 一 ； 一i | m 行机构，以适应大推力和大推力矩、长行程等控制要求。9 0 年代开始，我国的调 节阀工业也在引进和消化国外的先进技术后开始飞速发展，一些合资和外资的调 节阀生产厂相继生产有特色的产品，填补了一些特殊工业控制的空白，使我国调 节阀工业的水平大大提高，缩短了与国外的差距。随着现场总线技术的应用，在 2 l 世纪初，采用现场总线技术的调节阀产品问世，国外一些现场总线的调节阀和 相关的产品，例如智能阀门定位器等，开始在国内一些新建工程中应用，国内一 些厂商也开始研制有关产品【4 1 7 j 。 1 1 3 调节阀的发展方向 1 1 3 1 调节阀应用中存在的问题 调节阀是工业自动化仪表中使用问题最多的产品，也是更新换代最慢的产品， 几十年一贯制。到现在，还是以五六十年代水平的产品，如：单座阀、双座阀、 套筒阀为主导产品( 7 0 左右) ，可见，产品陈旧落后。在使用中常遇到以下问题p j 【9 】： ( 1 ) 调节阀的品种多、规格多、参数多。调节阀为适应不同工业生产过程的 控制要求，例如温度、压力、介质特性等，有近千种不同规格、不同类型的产品， 使调节阀的选型不方便、安装应用不方便、维护不方便、管理不方便。 ( 2 ) 调节阀的可靠性差。调节阀在出厂时的特性与运行一段时间后的特性有很 大差异，例如，泄漏量增加、噪声增大、阀门复现性变差等，给长期稳定运行带 来困难。 ( 3 ) 调节阀笨重，给调节阀的运输、安装、维护带来不便。通常，调节阀重量 比一般的仪表重量要重几倍到上百倍，例如，一台d n 2 0 0 的调节阀重达7 0 0 k g ， 运输、安装和维护都需要动用一些机械设备才能完成，给调节阀的应用带来不便。 ( 4 ) 调节阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品质变 差。调节阀的理想流量特性已在产品出厂时确定，但工业过程被控对象特性各不 相同，加上压降比变化，使调节阀工作流量特性不能与被控对象特性匹配，并使 控制系统控制品质变差。 ( 5 ) 调节阀噪声过大。工业应用中，调节阀噪声已成为工业设备的主要噪声源， 因此，降低调节阀噪声成为当前重要的研究课题，并得到各国政府的重视。 ( 6 ) 调节阀是耗能设备，在能源越来越紧缺的当前，采用节能技术，降低调节 阀的能耗，提高能源的利用率。 1 1 3 2 调节阀的发展方向 调节阀的发展方向主要为智能化、标准化、精小化、旋转化和安全化【9 1 。 ( 1 ) 智能化：主要表现在调节阀的自我诊断；减少产品类型，简化生产流程； 直通单座调节阀阀：笛形面优化波汁 皇曼曼曼曼曼舅罡曼曼曼曼皇曼曼曼曼舅舅皇曼曼曼! ! 曼曼曼i im l a 数字通信；智能阀门定位器等。 ( 2 ) 标准化：主要表现在实现产品互换性、实现互操作性、标准化的诊断软 件和其他辅助软件、标准化的选型程序等。 ( 3 ) 精小化：主要表现在采用精小型执行机构、改变流路结构、采用电动执 行机构等。 ( 4 ) 旋转化：由于旋转类调节阀相对体积较小、流动阻力较小、可调比较大、 密封性较好、防堵性能较好、流通能力较大等优点，所以在新产品中，旋转阀的 比重增加。 ( 5 ) 调节阀噪声过大。工业应用中，解决调节阀的噪声已成为工业设备的主 要研究方向之一。 ( 6 ) 节能：降低调节阀的能耗，提高能源的利用率是调节阀的一个发展方向。 主要表现在采用低压降比的调节阀、采用自力式的调节阀、采用电动执行机构、 采用压电调节阀、采用带平衡机构的阀芯等。 1 2 课题的来源、目的、意义 本课题属于科研开发课题。其目的是：依据流动相似理论、流体力学的相关 原理和稳态试验数据来确定设计工况条件下直通单座调节阀阀芯的几何形状和尺 寸，设计出符合等百分比流量特性的产品；对直通单座调节阀的阀芯的型线进行 分析优化以获取最佳的流量调节特性；研究调节类阀门的流体特性、可调比、不 同开度工作性能、流量系数等，优化结构设计。 本课题研究的意义： 1 使调节阀的实际固有流量特性与理论固有流量特性更加接近，且使实际固 有流量特性曲线的畸变减小，调节性能更好。 2 有利于产品制造。目前，调节阀流量特性误差范围是工厂最难控制的性能 指标，而且使用中因流量特性畸变严重导致调节性能变差，因此，优化阀瓣型线， 主要从改善调节阀流量特性出发，以保证优化后的调节阀具有良好的调节性能。 1 3 本文所做的主要工作 1 通过理论分析直通单座调节阀的流量与阀座处流通面积的关系，导出了流 通面积和阀芯直径的近似计算式。 2 采用推导的计算式和经验公式及等百分比流量特性内特性方程设计了阀 芯图纸。 3 在阀门流量试验台上，对设计的调节阀在不同开度下进行了流量特性、流 阻特性试验。 4 根据试验数据绘制了调节阀的相对流量系数与相对开度变化关系曲线图以 硕十学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼! i 一一i ；i _ i i 鼍曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼寰曼 及流阻与开度关系曲线图；将试验结果与理论计算结果进行了比较。 5 对设计的阀芯形面进行了优化。 下面为本文的工艺流程图。 i 进行流量特性试验 ，一r、 采集试验数据 、 1 r 比对设定特性曲线 图1 1 课题的工艺流程图 5 直通堆座调节阀阀：签形面优化设计 第2 章调节阀的工作原理与结构类型 2 1 调节阀的工作原理 国际电工委员会i e c 对调节阀的定义为【1 】：“工业过程控制系统中由动力操作 装置形成的终端元件，它包括一套阀体组合件( v a l v eb o d ya s s e m b l y ) 和一套执行 机构( a c t u a t o r ) 。即 调节阀= 执行机构+ 阀体组合件 其中，执行机构是调节阀的推动装置，它按信号的大小产生相应的推力，使 推杆产生相应的位移，从而带动调节阀的阀芯动作；阀体组合件是调节阀的调节 部分，它直接与介质接触，通过执行机构推杆的位移，改变调节阀的节流面积， 达到调节的目的。 2 2 调节阀的主要类型 2 2 1 调节阀的主要型式 到目前为止，根据不同的使用条件，共产生了十个大类的调节阀，有直通单 座调节阀、直通双座调节阀、套筒阀、角形阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀、 偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀等【9 1 。 下面以直通单座调节阀为例，介绍调节阀的基本结构。 图2 1 所示的是直通单座柱塞调节阀，有一个阀芯和一个阀座，阀杆与阀芯 连接。上阀盖处设有填料装置，用于阀杆的密封，下阀盖与阀体用螺栓连接，用 于阀杆和阀芯的中心定位。当执行机构作直线位移时，通过阀杆带动阀芯移动， 改变流体的流通面积，从而改变操纵变量，实现调节流体流量的功能。 直通单座阀是一种最常见的控制阀，其特点如下： 1 泄漏量小，容易实现严格的密封和切断，例如，可采用金属与金属的硬密 封，或金属与聚四氟乙烯基其他复合材料的软密封，标准泄漏量为0 0 1 k v m 。x ( k v m 舭是额定流量系数) 。 2 允许压差小，例如，d n l 0 0 阀的允许压差仅1 2 0 k p a 。 3 流通能力小，例如，d n l 0 0 的直通阀的流通能力仅为1 0 0 。 4 由于流体介质对阀芯的推力大，即不平衡力大，因此，在高压差、大口径 的应用场合，不宜采用直通单座阀。 硕卜学位论文 图2 1 直通单座调节阀 1 阀杆2 执行机构3 填料4 弹簧5 上阀盖 6 阀芯7 阀座8 阀体9 下阀盖 2 2 2 调节阀的阀芯结构 阀芯是调节阀内最为关键的部件。为了适应不同的需要，得到不同的阀门流 量特性，阀芯的结构形状是多种多样的，但一般可将阀芯分为直行程和角行程两 大类【1 0 1 。 2 2 2 1 直行程阀芯 如图2 2 所示，直行程阀芯又可分为以下几种类型： 1 平板型阀芯( 图2 2 a ) 。这种阀芯的底面为平板形，其结构简单、加工方便、 具有快开特性，可作两位调节用。 2 柱塞型阀芯。可分为上、下可以倒装，倒装后可以改变调节阀的正、反作 用。常见的阀门流量特性有线性和等百分比两种。这两种特性所用的阀芯形状是 直通译座调节阀阀：卷形面优化设计 不相同的。图2 2 b 右面两种阀芯都为上导向，用于角形阀和高压阀。对于小流量 阀，可采用球形、针形阀芯，见图2 2 c ；也可以在圆柱上铣出小槽，见图2 2 d 。 3 窗口型号阀芯( 图2 2 e ) 。这种阀芯用于三通调节阀。图中左边为合流型， 右边为分流型。由于窗口形状不同，阀门流量特性有直线、等百分比和抛物线三 种。 4 多级阀芯。如图2 2 f 所示，把几个阀芯串接在一起，好象“糖葫芦 一 样，起到逐级降压的作用。用于高压差阀可防止气蚀、噪声。多级阀芯的结构也 很多，有的阀芯可串成锥体形状，如图2 3 所示。 、， d e f j落 图2 2 直行程阀芯 a ) 平板型阀芯b ) 柱塞型阀芯c ) 球型、针型阀芯d ) 圆柱体上铣出小槽阀芯 e ) 窗口型阀芯f ) 多级阀芯g ) 套筒阀阀芯 5 套筒阀阀芯( 图2 2 9 ) 。这种阀芯用于套筒型调节阀。只要改变套筒窗口形 状，即可改变阀门的流量特性。 2 2 2 2 角行程阀芯 图2 4 所示为角行程阀芯。这种阀芯通过旋转运动来改变它与阀座间的流通 面积。 硕七学位论文 ! - - i ii i。 _i i _ i 曼皇曼曼曼曼! 皇! 曼曼曼曼曼曼璺 图2 4 a 为偏心旋转阀芯，用于偏心旋转阀。图2 4 b 为中线式蝶阀的蝶形阀板， 有标准平阀板、翘曲的阀板，以及用于偏心蝶阀的带尾部的阀板三种。图2 4 c 为 球形阀芯，用于球阀，球体上钻有一个通孔，用于o 形球阀；v 形阀芯的扇形球 体上有v 形开口或抛物线开口，两边支承在短轴上，用于v 形球阀。v 形开口 的球体，也可以改良为u 形开口，以增大流通能力，它的流量特性是改良的等 百分比曲线。 图2 3 多级阶梯阀芯 a ) 单座多级阶梯阀芯b ) 双座多级阶梯阀芯 图2 4 角行程阀芯 a ) 偏心旋转阀芯b ) 中线式蝶型阀板 c ) 球型阀芯 直通堆座调节阀阀芯形面优化设计 量曼鼍! 皇曼皇曼曼曼量i i 一； i ! 第3 章调节阀的流量特性 3 1 调节阀的流量计算 3 1 1 调节阀流量计算的理论基础 调节阀和普通的阀门一样，是一个局部阻力可以改变的节流元件。当流体通 过调节阀时，由于阀芯、阀座所造成的流通面积的局部缩小，形成局部阻力，节 流原理与孔板类似【1 0 1 。所以把调节阀模拟成孔板节流形式，如图3 1 。因此，流 体流经调节阀时的能量变化可以用流过孔板的能量变化来代替。 图3 1 调节阀节流模拟 根据流体动力学原理，流体流动时，常用压头变化描述流体能量发生的变化。 流体压头分为几何压头、静压头和速度压头f 1 1 川】。 流体因所在位置距标准面的高度而具有的压头叫做几何压头，用流体距标准 面的高度h 表示。 流体因液柱高度而具有的压头叫做静压头吃，它的大小等于流体液柱的压力， 用公式表示为： 吃；旦( m ) ( 3 1 ) p 毽 式中，吃为静压头，m ；p 为流体压力，p a ；p 为流体密度，k g m 3 ；g 为重力 加速度，m 2 厶。 流体在流动时因有流速而造成的压头叫做速度压头吃，用公式表示为： 丸。丢 ( 3 2 ) 式中，t ，为流体平均速度，m s 。 几何压头、静压头和速度压头的总和称为流体的总压头k ，用公式表示为： 硕 ：学位论文 k 出吃小 + 去芬( m ) ( 3 3 ) 根据能量守恒定律，理想流体在管道中流动时，其能量保持不变，即总压头 不变。但在不同的测点，组成总压头的各部分压头( 如静压头、速度压头等) 会 发生变化。例如，流体经过水平安装的节流装置时，在节流处流体流速增大，静 压头下降，但总压头不变，这就是伯努利方程。理想不可压缩流体定常流动的伯 努利方程为： | 1 + 旦+ 望：7 1 1 + 旦+ 笠 ( 3 4 ) 1 p g2 一g。p gz g 伯努利方程是描述流体流动能量转换关系的数学方程式，用文字表示就是： 当理想流体作稳定流动时，管道上任一断面的总压头不变。伯努利方程式对于研 究调节阀工作原理具有非常重要的意义。 如图3 2 所示的是水平管道上的安装的调节阀，在流体流过时，其压力和流 速发生变化的情况。假设流体为层流、定常的理想流体，不考虑阀门结构对流动 的影响，只考虑阀两端压力的变化时，可认为流体经调节阀后压力从n ，降低到 p ，。实际情况是在阀门的节流处，由于流通面积的缩小，使该处的流速增到最大， 静压力下降到。然后，随着阀内流通面积的增大，流速变缓，由于流体内相互 摩擦，使部分能量转变为内能，从而使静压不能恢复到阀前的压力矶，造成压力 损失。由于实际流体在流经阀门时会有能量损失，因此根据流体的能量守恒原理， 实际流体伯努利方程式为： 鬼+ 旦+ 堕：见+ 旦+ 堕+ h ， ( 3 5 ) l p g2 9。p g2 9 j 式中，h ，为能量压头损失，m 。 3 1 2 调节阀流量方程 如图3 3 ，在直径为d ，的管道中，接入一个调节阀，设阀在节流处的等效直径 为d ，另外在截面c 和d 处连接两个测压管a 和b 。当流体流动时，测压管a 的 液柱高度为p l ，b 的液柱高度为7 2 ，流体流过调节阀时产生的能量损失，通常 p gp g 用阀前后的压差来表示。如果调节阀前后的管道直径一致，流速相同，则由实际 流体伯努利方程可知，不可压缩流体流体流经调节阀的能量损失( 即水位差) h 为： h ，旦一旦( 3 6 ) p gp g 直通单座调节阀阀芯形面优化设计 i i 长 盥 删 螺 曹流截面i 图3 2 流体通过调节阀时压力和流速的变化 矗 c 乃 图3 3 调节阀流量模拟 由于管道是水平的，所以管道中各处的几何压头相等，这样在截面c 和d 处， 根据伯努利方程式就可得到下面公式 硕卜学位论文 旦+ 坚：旦+ 笙 j o g 2 9p g2 9 即 即 旦一丝，生一生 一一 p gp g 2 9 2 9 将式( 3 1 ) 代入( 3 2 ) 后可得 j i l 。坚一生 2 92 9 由流体流动的连续性方程，可得 所以， 彳一4 三盔2 = ；d z 2 屹 等d 。2 = 箬= 等d ：2 1 一一 4 将式( 3 6 ) 带入到式( 3 3 ) 后可得： = 丢c 和 所以 而 令 亭称为阻力系数。 2 q - 仙2 亭再 亭昔山等一1 将式( 3 6 ) 和( 3 1 4 ) 代入式( 3 1 3 ) 后，可得 q 引aj 罕2 ( p , - p , ) 一舌厚 此式即是调节阀的流量方程。 1 3 - ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) q 砰一砰 厨 上f 其通甲_ 匝州1 j 刚吲忑肜皿优化嫂汁 式( 3 1 5 ) 各项参数采用如下的单位【1 4 】： 流通面积4 ，c m 2 ；阀前压力p l ，l o o k p a ；阀后压力p 2 ，l o o k p a ；阀前后 压差卸= ( a p 2 ) ，l o o k p a ；流体密度p ，g c m 3 ；流量q ，m 3 h 。 则 q = 芳等沏3 厶) = 等岳杀拦p 蝴， 暑一j 一= = j 一，z ，i - 1 0 6 v1 0 一皇、 、7 辛 q - 5 鹏隽等础) 式( 3 1 6 ) 即是调节阀实际应用的流量方程，从这个公式中可以看出，当调 节阀的口径一定，即调节阀的接管面积a 一定，并且调节阀两端压差卸= ( p 1 - p ：) 不变时，则流量q 随阻力系数芋而变化，亭减小，q 增大；反之，亭增大，q 减小。 由于亭= 筹一1 = 万a 2 1 ，即亭与阀的孔径d ：( 流通面积4 ) 有关，而流通面积 与阀的开度有关，说明亭大小也与阀的开度有关。 由此可知，调节阀就是按照信号大小通过改变阀芯行程( 阀的开度) 来改变 阀的流通面积，进而改变对应开度的阳力系数，以达到调节流量的目的。 3 2 调节阀的流量系数 流量系数表示流体流经阀门产生单位压力损失时流体的流量，是衡量阀门流 通能力的指标。由于单位的不同，流量系数有不同的代号和量值。 采用国际单位制时，流量系数用k ，表示。流量系数k ，的定义为：调节阀两 端压差为o 1 m p a 时，温度为2 7 8 k - - 3 1 3 k ( 5 。c - 4 0 ) 的水每小时流经调节阀 的立方米数，以m 3 h 表示【1 4 l 。流量系数随阀门尺寸、形式及结构而变化，该系数 值越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。 调节阀的流量系数k ，值，是调节阀的重要参数，它反映调节阀通过流体的 能力，也就是调节阀的容量。根据调节阀流量系数k ，的计算，就可以确定选择调 节阀的口径。 3 3 阻力系数 流体通过弯管和截面突变的地方时，会有扰动、搅拌，形成气穴、漩涡和尾 流，或使流体质点相互撞击，产生较大的能量损耗。可以认为，调节阀体腔内的 每个元件都可以看作为一个产生阻力的元件系统( 流体转弯、扩大、缩小、再转弯 砍十字位论文 ili ii i i。im _ _ _ 舅m l aai n i t 曼曼蔓 等) ，调节阀内的阻力损失等于调节阀各个元件阻力损失的总和。调节阀的阻力系 数就是表征调节阀对流体产生的阻力损失大小的量，该系数取决于阀门产品的尺 寸、结构以及内腔形状等。流体通过阀门时，其流体阻力损失通常以阀门前后的 流体压力降卸表示，即 卸；亭坐 ( 3 1 7 ) 3 4 压力恢复系数 在建立流量的计算公式时，为了简化计算，将调节阀模拟为节流孔板来推导 公式，没有考虑阀门结构对流量的影响，认为当流体流过调节阀时压力由阀前压 力p 直接变化到阀后压力p ，而实际上当流体流过调节阀时的压力变化如图3 2 所示。由图3 2 可知在阀芯、阀座处由于节流作用而在附近的下游处产生一个缩 流，其流体的流速最大，但静压最小。在远离缩流处，随着阀内的流通面积的增 大，流体的流速减小，由于相互摩擦，部分能量转变成内能，大部分静压被恢复， 形成了阀门压差卸。换言之，流体在节流处的压力急剧下降，并在其后的节流通 道中逐渐恢复，但己经不能恢复到原来的矶值。这便是压力恢复现象【1 。 压力恢复系数e 表示调节阀内部流体流经缩流处后，动能转换为静压的恢复 能力。只值是阀体内部几何形状的函数，各种阀门因结构不同，其压力恢复能力 和压力恢复系数也不相同。一般，e = o 5 - 、一0 9 8 。压力恢复系数e 越小，表示该 调节阀流路设计好，流动阻力小，其压力恢复能力也越好，即经缩流后，静压能 够恢复到接近进口压力，这类阀门被称为高压力恢复阀，如球阀、蝶阀等。压力 恢复系数e 越大，表示该阀门流路复杂、流阻大、摩擦损失大、进口压力经调节 阀后的降低大，因此，压力恢复能力差，被称为低压力恢复阀，如单座阀、双座 阀等。 3 5 闪蒸、空化及其影响 在调节阀内流动的液体，常常出现闪蒸和空化两种现象。如图3 2 所示，当 压力为n 的液体流经调节阀节流处时，流速突然急剧增加，而静压力骤然下降， 当阀后压力p ，达到或者低于该流体所在情况下的饱和蒸汽压时，部分液体就汽化 成气体，形成气液两相共存的现象，这种现象称为闪蒸。闪蒸造成气液两相流， 气体与液体同时流过阀芯和下游管道，造成冲刷，其特点是阀芯呈现平滑抛光的 外形。可见产生闪蒸时，对阀芯、阀座材料己开始有侵蚀破坏作用；并且闪蒸也 影响液体流量计算公式的正确性，使计算复杂化1 1 。 如果产生闪蒸之后，办不是保持在饱和蒸汽压以下，而是在离开节流处之后 亘通单座调节阀阀芯形面优化设计 鼍i 一一一一i i i 鼍曼! 皇曼鼍皇曼曼鼍曼鼍曼! 曼曼曼鼍! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼詈量曼曼舅曼舅皇曼曼曼鼍! ! 璺 又骤然上升，这时气泡产生破裂并转化为液态，这个过程即为空化作用。由此可 见，空化作用是一种两阶段现象，第一个阶段是液体内部形成空腔或气泡，即闪 蒸阶段；第二个阶段是这些气泡的破裂，即空化阶段。空化作用会使调节阀产生阻 塞流和汽蚀。图3 4 是一个在节流孔后产生空化作用的示意图。许多气泡集中在 阀的节流孔后，阻碍流体的流动，自然影响了流量的增加，产生了阻塞情况。 因此，闪蒸和空化作用产生前后的计算公式必然不同。汽蚀是空化作用对材 料的侵蚀。产生空化作用时，在缩流处的后面由于压力恢复，升高的压力压缩气 泡，达到临界尺寸的气泡开始变为椭圆形，接着在上游表面开始变平，然后突然 爆裂。所有的能量集中在破裂点上，产生极大的冲击力，并且发出类似流砂流过 底 荔 图3 4 节流孔后的空化作用 阀门的爆裂噪声。如果气泡在接近节流孔后附近的固体表面处破裂，这种冲击力 会慢慢地撕裂材料表面，形成类似于煤渣的粗糙表面。 由此可见，闪蒸和空化的发生不但影响口径的选择和计算，而且将导致严重 的噪声、振动、材质的破坏等，直接影响调节阀的使用寿命。因此在调节阀应用 中要注意避免发生闪蒸和空化。 3 6 调节阀的流量特性 3 6 1 可调比 1 可调比的定义【l o 】 调节阀的可调比是指调节阀能够控制的最大流量q 蛐与最小流量之比， 也称可调范围，用r 表示， 即r 。鬻型型鹱攀婆；监( 3 1 8 ) 置一= 一 i ，、， 调节阀控制的最小流量 硕十掌位论文 - - _i ii_iii l l 公式( 3 1 8 ) 中的q 二。是调节阀可调流量的下限值，它不等于调节阀全关时的 泄漏量。因为一般最小可调流量为最大流量的2 4 ，而泄漏量仅为最大流量的 o 0 1 0 1 。 2 理想可调比 调节阀前后压差保持不变时的可调比，称为理想可调比。 其计算公式为： r ：坠= ；坠( 3 1 9 ) 既。k 曲 从公式( 3 1 9 ) 可以看出，理想可调比等于k 一( 最大流量系数) 与k 曲( 最 小流量系数) 之比。它反映了调节阀调节能力的大小。如果单从自控角度考虑，希 望可调比越大越好，但由于受到调节阀阀瓣结构设计和加工工艺的限制，k 曲不 能太小，一般国内设计取r = 3 0 或r = 5 0 。 3 6 2 流量特性 调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对位移( 阀门的相对开 度) 之间的关系【1 5 _ 1 引。用数学的表达数表示： 芒一佑) i 一= j 一 q 一 。i l ( 3 2 0 ) 式中，妾l 为相对流量，即调节阀在某一开度时流量o 与全开流量q 眦之比； 蟛m ， 为相对位移，即调节阀在某一开度时阀芯位移f 与全开位移l 之比。 l 通常来说，改变调节阀的阀芯与阀座之间的流通截面积，便可控制流量。但 在实际工况中，由于多种因素的影响，通过阀门的流量可能随压降而变化。为了 便于分析，设定阀门的压降不变，然后再引申到真实情况进行分析，前者称为阀 门固有流量特性，后者称为阀门工作流量特性。 3 6 2 1 固有流量特性 阀门的固有流量特性指的是在阀前、阀后压差保持不变时，介质流过阀门的 相对流量与相对位移( 阀门的相对开度) 之间的关系。阀门的固有流量特性不同 于结构特性( 阀的结构特性是指阀芯位移与流体通过的截面积之间的关系，不考 虑压差的影响，纯粹由阀芯大小和几何形状决定) 。 固有流量特性主要有直线、等百分比( 对数) 、抛物线及快开特性。 图3 5 为不同流量特性的阀芯曲面形状。图3 6 为这4 种流量特性的关系曲线 图。 直通单座调节阎阀芯形面优化设计 1 快开流量特性曲面 2 直线流量特性曲面 3 抛物线流量特性曲面 4 等百分比流量特性曲面 图3 5 阀芯曲面形状 l 几 1 快开流量特性曲线2 直线流量特性曲线3 抛物线流量特性曲线4 等百分比流量特性曲线 图3 6 阀门固有流量待性曲线 鲻。k 2 1 ) d q ；k 三+ c( 3 2 2 ) c ，盟( 3 2 3 ) 硕f ：学位论：艾 ，一坠(324)k 1 ：匕- m i n 3= 一( q 瞰 旦：f 1 一堕+ 堕 q 咄iq 。厶 又r ：_ a n l a x 云a 卜- 1 ) 纠l r 2 5 ， q 麟【、 7 l j 公式( 3 2 5 ) 表明，直线流量特性的差与丢之间呈线性关系， o坊箍钼褥卯7 0 t 删 图3 7 直线流量特性 在直角坐标上直线流量特性曲线为一条直线，如图3 7 所示。由图中可知， 直线流量特性的单位行程变化所引起的流量变化是相等的，也就是说调节阀的放 大系数( 即曲线的斜率) 是一个定值，当行程变化1 0 所引起的流量变化总是 1 0 。但是实际上对于调节作用有意义的是流量相对变化值，从图上行程的 1 0 ，5 0 和8 0 三点看，当行程都变化1 0 时，它们的流量变化相对值分别为： 2 0 - 1 0 1 0 0 ：1 0 0 6 0 - 5 0 1 0 0 ；2 0 5 0 9 0 - 8 0 1 0 0 。1 2 5 8 0 一霉并暑lb匆 由此可知，对于直线流量特性的调节阀来说，在变化相同行程的情况下，流 量小时，流量相对值变化大；而流量大时，流量相对值变化小。这就是说，直线 流量特性调节阀处于小开度时，调节作用太强，易产生振荡；阀门处于大开度时， 调节作用太弱，调节缓慢，不够灵敏。 在一个自动调节系统中，调节阀的开度由系统的负荷大小来决定，负荷大时， 阀的开度大；负荷小时，阀的开度小。当外界扰动破坏了系统平衡后，调节作用 使调节阀动作来克服扰动影响。如果系统处于小负荷状态，则原始流量较小，要 克服这一扰动，希望调节阀动作所引起的流量变化量不要太大，否则变化的流量 值较之原始流量大，使调节作用很强，容易超调，发生振荡，调节性能变坏。而 当系统处于大负荷状态，则原始流量较大，要克服这一扰动，希望调节阀动作所 引起的流量变化量要大一些，否则变化的流量值较之原始流量小，使调节作用微 弱，不够灵敏，不利于系统的正常运行。因此对一般调节系统来说，希望在小负 荷时，调节作用抑制一些，大负荷时，调节作用加强一些，这就靠调节阀的流量 特性来补偿，直线流量特性不能满足这一点要求，因此就产生了等百分比及其它 流量特性。 ( 2 ) 等百分比( 对数) 流量特性 等百分比流量特性也称为对数流量特性，它是指单位相对位移变化所引起的 相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数是变化的，它 随着流量的增大而增大。 df 旦、i i 堕：k 旦( 3 2 6 ) df 1 q 觚 l ， 将公式( 3 2 6 ) 积分： ( 芒产( 芒) = 严( 圭) 即i n j 堕；k 三+ c ( 3 2 7 ) q 吣 三 边界条件为：z 一0 时， a ；q 0 。 z l 时，q q 懈 将边界条件代入公式( 3 2 7 ) ，求得各常数项为： c ，l n 纽，k ，一i n 9 m i a q 眦 硕 ：学位论文 1 n 旦；f 山坠b h l 坠 q 觚iq 咖肛q 嘣 又。 即 。一f l n 坠1 三礼堕 q 一户 ；( 1 一圭) h 云q m i n 尺：坠 。 l n 旦；1 一三1 l i l ! q 呶 l j r h 砉。p ) 蝴i l 旦；尺( 纠 ( 3 2 8 ) 式( 3 2 8 ) 表明，等百分比流量特性调节阀的芒与圭之间成对数关系