调节阀的特性分析

1、第二章 调节阀的特性分析6.2.1 调节阀的节流原理和流通能力当流体经过调节阀时，由于阀芯、阀座间流通面积的局部缩小，形成局部阻力，使流体在此处产生能量损失，这个损失的大小通常用阀前后的压差来表示。凋节阀前后管道直径相同，流速相同，根据流体能量守恒原理，可得到流体经过调节阀后的能量损失与调节阀前后的压差关系为：H =(6*2 - 1)式屮 H单位重麒潦体经过调节闻的能量损失卡鬥凋节脚前压力片一调节阀石压力F一谎体畫度.设调节阀开度不变，流体重度不变(不可压缩流体)，则单位重量的流体的能量损失与流体的动能成正比。即：式中现流体平均流連孑g蛋力加速度*f 一一调节阀的阻力系数，与阀的结构型式、流体

2、的性质和开度有关° 因为:流体的平均流速为；Q仞(6+ 2 3) 式屮 Q一流体的休眾流駅“A一-管道截面积.综合式£缶2人式6» 2-2)和式(6.2-3)得(6.2 - 4>式(6.2-4)为调节阀的流量方程。方程中各参数采用的单位(S81cm/sB) iPuPjtgf/cn?)当Q均采用匸程单位，即可得到实际应用的流量方C6. 2 5)当调节阀口径一定，即调节阀接管截面积A一定，且P1-P2不变时，阻力系数 z减小,流量C则增大，反之Z增大则C减小，所以调节阀的工作原理就是由输入信号的大小、改变 阀芯的行程，从而改变流通面积达到调节流量的目的。(6&#

3、187; 2 6)式（E* £5）可写为土C称为流通能力，与阀芯、阀座的结构、阀前后的压差、流体性质等因素有关。必 须在规定了一定的条件后，再描述调节阀的流通能力。我国所用流通能力C的定义为：在调节阀全开，阀前后压差为1kgf /cm2,介质重度为1gf / cm3时，流经调节阀的流量数。例如：一个C值为32的调节阀就是表示当阀全开，阀前后压差为1kgf / cm?时，每小时能通过的水量为 32m3。6.2.2 调节阀流量特性的定义调节阀的流量特性是指被调介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即：式屮 芒相对流匯即调节开度流巔Q与全开流2比' £相对开度

4、，即调节阀某一开度行程，弓全开行程E之匕一般说来，变化调节阀的阀芯与阀座之间的流通面积，就可实现流量的调节。但 实际上由于各种因素的影响，如果在改变节流面积的同时发生阀前后压差的变化，而 压差的变化也会引起流量的变化。为了便于分析，假定阀前后压差为一定值，此时的 流量特性称为理想流量特性。在此基础上引伸到真实情况的研究，这就是工作流量特 性。6.2.3 理想流量特性调节阀在前后压差一定的情况下得到的流量特性称为朋想流量特性。理想流量特性取决于阀芯的形状，不同阀芯曲面可得到不同的理想流量特性如图6.2 1。典型的理想流量特性有直线、等百分比 （对数）、快开和抛物线四种，特性曲线如图6.2 2。1

5、 2 3图6,2-1阀芯曲面形状h快开備量将性的曲面2-直线硫蜀梅性的曲面3.牺扬iifitit特性的曲曲*尊百分出盹僅特性的曲面ULW1*1 6+2-2理想流秋持性曲域K快开瀬量特性缶直蛾挺童祷性3+ Aft物缰流特性 瓠耕百丹比漉最转性623.1直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移（相对开度）成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是一个常数，用数字式表达为：式中K常数.，即调节脚的放大系数 将式豹很一9）积分得：式中C积分常数.已知边界条件工"0 时'i=L时."心护*舟边界条件代入式（&21力求得各项常数为衣（6.2 L 11）式

6、申R调节阀的可调忧，即调冑阀所能控制的显大臓量和最小潇凰的比值，用R 将式 zm 代入式心一边）得；走需D +心”£式他.2 一 12）表明.迂与云之间成直线关系见图6-2-2曲线2）.M注燧当可關比-.Ijf,一恵不耐时、特性曲线的起点不同。当尺=3（h£ = o时，尹 =a出弭为便于分新*设血=g,即特性曲线以原点为起点，当位移变化10 %时，引起的流量变化也是10 %。但相对流量变化量却不同。我们对行程的10 %、50%、80%三点进行分析。在10%时，流载相对变化值；年尹 X 100% = 100%柱50%时,流童柑对变化憤：如評 X100%5%程80%时流磧相对变

7、化值：由以上分析可看出，阀门开度小时，相对变化值大，而阀门开度大时，流量相对变化小。也就是说阀门小开度控制作用强，这时容易产生振荡，阀门大开度调节作用太弱，调节缓慢，不灵敏。623.2等百分比流量特性（对数流量特性）等百分比流量特性是指单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系，用数学式表达为：将式(氐2-13)积分得*<& 2 13)<6. 2 一 14)已知边界条件为;£=0 时,Q = Q 片£时,梅边界条件代入式厲2】4),得各项常数为!一山壮 K 山进将尺=器代入得*Wriiijn.C nRK = In/?各常数代入式C6

8、-2 -】4)得;所以有;(6- 2 - 15)式(6+ 2 15)与直线流量特性一样，以行程的10%、50%和80 %三点分析。行程变化10%所引起流量变化分别是1.91 %、7.3 %和20.4 %。可见，阀开度小时，调节平稳缓和，开度大时，调节灵敏有效，因此有利于自动调节。在前述三点开度上，流量变化的百分比 是相同的，均为40%，这说明这种阀的调节精度在全行程范围内是不变的。从曲线图中还可看出，在同一行程下，等百分比，阀通过的流量小手直线阀通过的流量。等百 分比阀芯形状如图6.2 1之4。623.3 快开流量特性这种阀的流量特性在开度小时，流量就已较大，随着开度的增大，流量很快达到最大，

9、再增加开度，流量变化极小，所以称为快开特性。用数学式表达为：.Q、丁厂三叫已<6.2 一 17)4/1以内，位移再将(6-2-16)分井代入边界条件得=特性曲线见图6.2 2曲线1，它的有效位移一般在阀座直径的增大，阀的流通面积不再增大，失去调节作用。这种特性适用于快速启闭的切断阀 和双位调节系统。抛物线流量特性抛物线流量特性是指单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与该点相对流量值的平方根成正比。用数学式表达为:(6. 2 一 将式（缶2-ia）积分并代入边界条件得; 19）表明 是和壬之闻成抛物线关系亠曲线见图6*2-2曲线3,它介于克蜒曲线与对数曲线之间，在相对位移30 %及相对流

10、量20 %段区域内为抛物线规律，在此以624工作流量特性上的范围为线性关系，用来弥补直线流量特性开度小时调节能力差的缺点。前面所述为调节阀的理想流量特性。在实际使用中，由于调节阀前后的压差是不断变化的，这种情况下的流量特性称为工作流量特性。在实际使用中，调节阀总是和其它工艺设备、管道等串联或并联使用，流量随阻力的变化而变化。下面以串联系统为例分析其工作流量特性。系统总压差 P等于管路系统（除调节阀外的全部设备及管路）压差R与调节阀的压差巳之和即： P=A Pi+A巳。由调节阀的流量方程w胃' 可知，通过调节阀的流量Q与流通能力 C有关，而C随阀的开度而变。若调节阀压差A Pi不变则有：

11、Q _ CQz Cn式中 g流过调节阀的是大流阀全开时的流通能力。匚虫是Q = CK若流过管道设备的流量为G则有;0为管道设待的流就系数Q1由流体的连续性和能虽守恒定律可知士Q' =Q所以有15机吕鸦1 =5鸠1将尸3也尸L + 齐代入式乩2 - 20）并整理得:鬥=；倚-£）+】 式中”=啓字耳"(6. 2 20)(6. 2 一 21)(6.2 - 22)当關节阀全开时壬)-1则；阀上压差脱几、所以，等讥表示调节阀全开时压差与系统总压季的出值*此值设为S假 调节阀上的压差与位移及S值的关系为甲=-Z 23)(百_1)列兀)+在求得调节阀上压差变化的规律后，便能求出

12、调节阀在串联管道时相对流量与相若以Qax表示管道阻力等于零时调节阀的全开流量。以 阀的全开流量，则可得：位位移的关系式，即为调节阀工作流量特性。<6+2 - 24)«-2 一 25)Qnax及Q00作参比值的工作流在不同S值下工作特性变Q00表示存在管道阻力时调节式(6.2 24)和式(6.2 25)分别是串联管道时，以 量特性。此时对理想流量特性为直线和对数特性的凋节阀，化情况止图 6.2 3和图6.2 4何图6.2 -3串联管道时调节阀匸作挣陀以Q細参比)3)朋想特杵为自线唧 5)理想特件刿討数唱由图6.2 3和图6.2 4可以看出：(1) 当S=1时，即管道阻力为零，系统总压差全部降在调节阀L,实际工作特性与理想工作特性一致。(2) 随着S值的减小，管道阻力损失增加，系统压差降在管道上的压差增大，凋节阀 全开时流量减小，调节阀可调比缩小。(3) 随着占值减小流量特性发生较大畸变，理想直线特性趋向快开特性，理想等百分比特性趋于直线特性，使小开度时放大系数增加，开度大时，放大系数减小，造成开度小时调节不稳定，大开度时调节迟缓，影响调节质量。在实际使用中，一般希望S值不低于