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摘要:从实际使用要求(qiu)出(chu)发(fa),讨论(lun)了(le)调(diao)(diao)(diao)节(jie)阀流(liu)量系(xi)数与(yu)可(ke)调(diao)(diao)(diao)比(bi)关系(xi),提出(chu)把(ba)可(ke)调(diao)(diao)(diao)比(bi)看作流(liu)量特(te)性曲线的(de)特(te)征参数。在此基础上(shang),指出(chu)国家标准和 IEC 标准对流(liu)量系(xi)数偏(pian)差规定的(de)区别,并通过相应(ying)计(ji)算得(de)出(chu)国内(nei)现(xian)有标准及产(chan)品设计(ji)中存在的(de)不足之(zhi)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(chuan)统的(de)解释,可调比(bi) R 是指所能控制最(zui)大流(liu)量的(de)比(bi)值,即

调节阀流量系数与可调比关系的研究-公式3

在(zai)设(she)(she)计(ji)调节阀时,需(xu)先(xian)设(she)(she)定一(yi)个(ge) R 值,然后计(ji)算各(ge)开(kai)度(du)下(xia)的流(liu)(liu)量(liang)系数 Ф,以此作为设(she)(she)计(ji)阀芯曲(qu)线和套简(jian)窗口的依(yi)据。国内调节阀行业的两次统(tong)一(yi)设(she)(she)计(ji),都是在(zai)设(she)(she)定 R=30 前提下(xia),计(ji)算出了各(ge)开(kai)度(du)对应的流(liu)(liu)量(liang)系数理论值(见表(biao) 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(kan)出,R 值变化(hua)对线性流(liu)量(liang)特性影响不大,特别在 R>1 时(shi),Ф 与 KD 均与 R 值无关;对等(deng)百分比特性影响则较大,因此本文讨论值对流(liu)量(liang)系数(shu)的(de)影响仅限于等(deng)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(shi)际可(ke)调比 R 值是可(ke)以(yi)计算(suan)出(chu)来的,根(gen)据公式(shi)(2)可(ke)推导出(chu)

lnФ=lnФ0+hlnR (6)

在 lnФ—h 坐标(biao)系(xi)中,等(deng)百(bai)分(fen)比流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)特(te)(te)性(xing)曲(qu)线(xian)(xian)是一直(zhi)线(xian)(xian),R 值实际上决定了(le)该直(zhi)线(xian)(xian)的(de)斜(xie)率。实际测量(liang)(liang)(liang)(liang)一台调节阀(fa)的(de)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)特(te)(te)性(xing),可以(yi)得到若(ruo)干组(zu)(Ф,h)数据,由于制造(zao)和(he)测量(liang)(liang)(liang)(liang)误差,这些测量(liang)(liang)(liang)(liang)值在 lnФ—h 坐标(biao)系(xi)中呈近似直(zhi)线(xian)(xian)分(fen)布,并认为这条近似直(zhi)线(xian)(xian)就是这台调节阀(fa)的(de)实际流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)特(te)(te)性(xing)曲(qu)线(xian)(xian)。要得到这样一条直(zhi)线(xian)(xian),并使其最接近坐标(biao)系(xi)中的(de)这些点,建议(yi)用(yong)最小二乘法求解(jie)。

在测量一台调节阀于(yu)不同开度时(shi)的流(liu)(liu)量系数时(shi),可(ke)以得到相对行(xing)程和流(liu)(liu)量系数的 K 组数据,代(dai)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(ru) 20%~80% 开度(du)时的(de)各流(liu)(liu)量系数(shu)(shu),可(ke)(ke)以得到该段流(liu)(liu)量特性(xing)的(de) R 值。同(tong)(tong)样(yang),将表 1 中(zhong)理论值数(shu)(shu)据(ju)代入(ru)式(shi)(10),也(ye)可(ke)(ke)反算(suan)出(chu) R=30。由于式(shi)(9)、式(shi)(10)中(zhong) Ф 值都(dou)(dou)是以比值形式(shi)出(chu)现,无论用绝对流(liu)(liu)量系数(shu)(shu)或相对流(liu)(liu)量系数(shu)(shu)计算(suan)其(qi)结果都(dou)(dou)是相等(deng)的(de)。因(yin)此,用来计算(suan) R 值是很方(fang)便的(de)。同(tong)(tong)样(yang),当需要计算(suan)任(ren)意段流(liu)(liu)量特性(xing)曲(qu)线的(de) 值时,都(dou)(dou)可(ke)(ke)以推出(chu)相应(ying)的(de)计算(suan)公式(shi)。

3 国内外一些调节阀 R 值的比较

依(yi)据式(9)用(yong)国内统一设计的(de)(de)双(shuang)座调节阀和(he)联合设计的(de)(de)套筒调节阀,以及(ji) Fisher 公司的(de)(de) ED 型套筒阀的(de)(de)流量系数计算相应(ying)的(de)(de) R 值,其结(jie)果见(jian)表(biao) 2~表(biao) 4。

从表中可(ke)以看出,尽管双座调节阀(fa)和套筒(tong)调节阀(fa)在设计(ji)时预先设定(ding) R=30,但实(shi)际生产(chan)的各(ge)种规格的调节阀(fa)其(qi) R 值是不相(xiang)同(tong)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 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 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(jiao)表 2、表 3 这两个系列调(diao)节(jie)(jie)阀(fa)(fa)的(de) R 值(zhi)可以看出,双座调(diao)节(jie)(jie)阀(fa)(fa)各种(zhong)规格的(de) R 值(zhi)偏差(cha)较(jiao)大,套筒(tong)调(diao)节(jie)(jie)阀(fa)(fa)各种(zhong)规格的(de) R 值(zhi)偏差(cha)较(jiao)小。这与两种(zhong)阀(fa)(fa)设计时对流量(liang)特性采(cai)用不(bu)同误差(cha)判(pan)定标准(zhun)相吻合,双座调(diao)节(jie)(jie)阀(fa)(fa)以最大流量(liang)值(zhi)的(de) 10% 作为每个行程流量(liang)值(zhi)的(de)偏差(cha)范围,而套筒(tong)阀(fa)(fa)采(cai)用国际 IEC 标准(zhun)中的(de)斜率法(fa)(fa)(fa)计算流量(liang)特性偏差(cha)的(de)方法(fa)(fa)(fa)。显然,后一种(zhong)方法(fa)(fa)(fa)较(jiao)前一种(zhong)方法(fa)(fa)(fa)更能保证 R 值(zhi)达到(dao)设计要求,这也说明了 IEC 标准(zhun)斜率法(fa)(fa)(fa)的(de)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 公司 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 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,R的平均值=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,R的平均值=60.5。

提高工(gong)作行(xing)程(cheng)段的(de)(de)(de) R 值(zhi),其优越(yue)性在(zai)于它(ta)能更好(hao)地满(man)足(zu)自(zi)控系(xi)统的(de)(de)(de)需要,还(hai)能提高 80% 开(kai)度时的(de)(de)(de)流量系(xi)数值(zhi),从而使全开(kai)时阀(fa)(fa)的(de)(de)(de)流通(tong)能力有较显著的(de)(de)(de)提高。通(tong)过对 R 值(zhi)的(de)(de)(de)分析比(bi)较,说(shuo)明了国内(nei)外(wai)调(diao)节(jie)阀(fa)(fa)在(zai)设(she)计水(shui)平上存在(zai)一定的(de)(de)(de)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 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*5/1 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(cao)案)第 3.3 款对等百分(fen)比流量特性做了如下规定(ding):

“在(zai)(zai) h=0.2 和 h=0.8 之(zhi)间(jian),任意两个相(xiang)(xiang)邻(lin)流(liu)量系数发表值(zhi)的(de)(de)对数之(zhi)间(jian)的(de)(de)差(cha)值(zhi)应(ying)(ying)在(zai)(zai) 0.13 和 0.2 范围内(nei)”。“低(di)于 h=0.2 这两个值(zhi)相(xiang)(xiang)应(ying)(ying)为 0.13 和 0.25;高于 h=0.8,此(ci)值(zhi)应(ying)(ying)相(xiang)(xiang)应(ying)(ying)为 0.03 和 0.2”。

这里作为(wei)流(liu)量特(te)性偏差范围的(de)选取(qu),应当看作是按 R 值的(de)变化(hua)范围决(jue)定的(de),试(shi)计(ji)算(suan)

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(jiu)是说(shuo),流量特性偏(pian)差实际(ji)上是分段(duan)限制 R 值的变化范(fan)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(zhei)一(yi)(yi)规定(ding)正(zheng)是体(ti)现(xian)了将 R 值(zhi)作为(wei)流(liu)量特(te)性曲线的一(yi)(yi)个(ge)特(te)征(zheng)参数(shu),并实现(xian)了在(zai)全行程范围内可以(yi)取(qu)不同 R 值(zhi)这(zhei)一(yi)(yi)设(she)计(ji)思想。而(er)国(guo)标(biao) GB 4213—84《气动调节阀通用技术(shu)条件》在(zai)这(zhei)个(ge)问题上是和 IEC 标(biao)准存在(zai)一(yi)(yi)定(ding)差异的。深(shen)入讨论(lun) R 值(zhi)及(ji)流(liu)量系数(shu)的关系,无论(lun)对设(she)计(ji)、制造(zao)、应(ying)用调节阀都有一(yi)(yi)定(ding)的意义,对加(jia)强调节阀的基础(chu)理论(lun)研究,提高(gao)我国(guo)调节阀设(she)计(ji)制造(zao)水平,都是十分必要(yao)的。


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