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摘要:从实际使用要求出发,讨论了调节阀流量系数与可调比关系,提出把可调比看作流量特性曲线的特征参数。在此基础上,指出国家标准和 IEC 标准对流量系数偏差规定的区别,并通过相应计算得出国内现有标准及产品设计中存在的不足之处。

关键词调节阀流量系数可调比

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的研究-公式1

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的研究-公式3

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
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
线性 3.33 13.00 22.67 32.33 42.00 51.67 61.33 71.00 80.67 90.33 100.00
等百分比 3.33 4.68 6.58 9.25 12.99 18.26 25.65 36.05 50.65 71.17 100.00

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的研究-公式4

等百分比特性调节阀流量系数与可调比关系的研究-公式5

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的研究-公式7

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的研究-公式8

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的研究-式子1=5.5;调节阀流量系数与可调比关系的研究-式子2=3.85,代入式(8)则有

调节阀流量系数与可调比关系的研究-公式9

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的研究-式子3=3.5,调节阀流量系数与可调比关系的研究-式子4=2.03,则有

调节阀流量系数与可调比关系的研究-公式10

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 EDF壹定发的 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 R
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
25 2.65 4.57 7.84 12.76 17.96 25.04 35.00 49.11 74.53 103.39 51.5
32 3.09 6.30 9.90 13.99 18.90 24.60 30.10 42.80 74.40 100.00 34.6
40 7.44 10.28 11.52 13.22 16.88 21.92 28.82 52.84 78.92 92.00 17.4
50 7.68 11.89 14.90 18.40 22.90 29.50 37.80 53.50 70.40 98.20 14.6
65 3.95 7.72 11.36 15.53 20.20 26.56 36.51 50.77 77.53 99.58 28.9
80 3.34 7.64 10.49 14.63 19.85 28.00 37.75 50.28 75.49 97.25 32.4
100 4.70 7.68 10.32 14.20 18.81 27.35 37.02 52.82 72.39 97.60 27.1
125 4.14 6.49 9.47 12.89 19.37 27.61 37.34 51.88 66.66 103.63 32.3
150 2.55 5.70 8.50 12.42 18.17 25.45 34.98 48.48 76.74 96.81 45.7
200     12.20 16.10 20.10 25.10 32.00 46.50 75.80 100.50 20.0
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 R
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
25 4.10 7.90 12.10 16.50 20.40 29.60 42.20 61.00 81.50 103.00 30.9
40
C=16
2.12 6.06 10.00 14.31 18.75 24.75 34.50 51.06 73.75 96.88 45.3
60
C=25
6.54 9.12 11.76 14.84 20.24 28.16 38.60 56.00 78.00 99.20 21.3
50 3.10 6.45 9.90 15.05 22.48 32.50 46.50 67.50 90.50 97.75 45.2
65 3.25 6.83 10.24 14.63 20.63 27.46 40.32 58.73 86.35 107.94 41.2
80 4.20 7.67 11.10 14.97 21.05 29.70 40.60 60.50 80.10 92.60 29.9
100 3.57 7.37 11.03 15.21 21.80 30.39 44.13 64.90 82.06 93.23 34.9
125
C=250
3.69 7.00 10.80 15.24 21.20 29.80 41.60 59.60 87.60 102.80 36.9
125
C=370
3.34 7.14 10.84 15.19 21.89 31.62 45.95 65.41 82.43 93.24 37.5
200 3.17 6.90 10.79 15.66 22.41 31.90 42.76 60.34 81.21 96.03 37.8
300 3.31 6.92 10.54 14.54 20.23 28.62 43.85 64.23 82.31 94.08 38.3
表 4 Fisher EDF壹定发 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 R
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

1*1/4×1*5/16

0.783 1.54 2.20 2.89 4.21 5.76 7.83 10.9 14.1 17.2 27.4
1*1/2×1*7/8 1.52 2.63 3.87 5.41 7.45 11.2 17.4 24.5 30.8 35.8 36.3
2×2*5/16 1.66 2.93 4.66 6.98 10.8 16.5 25.4 37.3 50.7 59.7 57.6
2*1/2×2*7/8 3.43 7.13 10.8 15.1 22.4 33.7 49.2 71.1 89.5 99.4 41.3
3×3*7/16 4.32 7.53 10.9 17.1 27.2 43.5 66.0 97.0 120 136 54.2
4×4*3/8 5.85 11.6 18.3 30.2 49.7 79.7 125 171 205 224 64.8
6×7 12.9 25.8 43.3 67.4 104 162 239 316 368 394 47.1
8×8L=2 18.5 38.0 58.4 86.7 130 189 268 371 476 567 41.9
8×8L=3 27.0 58.1 105 188 307 478 605 695 761 818 43.1

比较表 2、表 3 这两个系列调节阀的 R 值可以看出,双座调节阀各种规格的 R 值偏差较大,套筒调节阀各种规格的 R 值偏差较小。这与两种阀设计时对流量特性采用不同误差判定标准相吻合,双座调节阀以最大流量值的 10% 作为每个行程流量值的偏差范围,而套筒阀采用国际 IEC 标准中的斜率法计算流量特性偏差的方法。显然,后一种方法较前一种方法更能保证 R 值达到设计要求,这也说明了 IEC 标准斜率法的先进性。

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R的平均值=30.5、套简阀R的平均值=36.2;Fisher EDF壹定发 ED 型套简阀R的平均值=45.9。

再按式(10)计算国内套简阀和 Fisher EDF壹定发 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,R的平均值=34.2,而 Fisher EDF壹定发套简阀在工作行程段的 R 值明显高于全行程的 R 值,R的平均值=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
20 40
C=16
40
C=25
50 65 80 100 125
C=250
125
C=370
200 300
全行程 30.9 45.3 21.3 45.2 41.2 29.9 34.9 36.9 37.5 37.8 38.3 36.2
h=0.2~0.8 26.9 28.9 20.5 49.2 33.4 29.5 35.4 33.0 39.2 35.2 38.4 34.2
表 6 Fisher EDF壹定发套筒阀 R 值
套筒阀行程段 套筒阀各规格 R 值 R 平均
1*1/4×1*5/1 1*1/2×1*7/8 2×2*5/16 2*1/2×2*7/8 3×3*7/16 4×4*3/8 6×7 8×8L=2 8×8L=3
全行程 27.4 35.3 57.6 41.3 54.2 64.8 67.1 41.9 43.1 45.9
h=0.2~0.8 25.8 41.5 69.7 46.2 78.1 99.7 69.0 45.0 69.7 60.5

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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