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调节阀的固有特性

来源: 上海阀门 时间: 2012-03-02 点击: 3,475

一个管路系统的液体流量取决于这个系统的总阻力。由此可知,除非管路系统不变,否则在相同开度下,调节阀也不可能总是保持相同的流量值。作为自动化元件,调节阀的这一特性是不方便的。这将要求每一系统考虑一个专门的调节阀。这个缺陷就导致出现调节阀固有特性的概念,即不管安装调节阀的管路系统情况,而在标准条件下来确定调节阀的固有特性。

如果在式中,令

则式可写成:

式中 KQ——调节阀的参数。

从式(2)中可获得KQ的表达式:

引入KQ的目的是确定调节阀的特性。如果假设△Pr和ρ都等于1,则从式(3)就可以得出KQ=qv。在这种情况下,调节阀的流量系数用符号Kv表示,即KQ≡K。

如上所述,Kv被定义为在介质的密度ρ=1kg/L,介质通过调节阀产生的压力损失△Pr=105 Pa的流量,单位是m3/h。因为水在5~30℃之间的密度为1kg/L,且用以进行试验的水易于获得,定义就限定在这一介质。这是所谈的标准条件。由此可见,Kv值与要安装的调节阀的管路系统无关,而仅与阀门的结构(ζ和开度H(即流通面积Ar)有关。由此可写成函数:

式(4)表达了调节阀的固有特性。

流量系数Kv很容易通过实验精确确定,即在标准条件下,测量通过调节阀的水量来确定。

调节阀的生产厂和用户,按计算的流量系数Kv来选定调节阀。

1.理论固有特性

不同形式的固有特性是通过不同的节流结构来实现的。对于自动调节技术来说,对数(等百分比)和线性特性的调节阀,是能够满足需要的。

调节阀的固有特性见图1。对于线性特性,其表达式为

其中h=H/H100Kv=Kv/Kvs

对于对数特性,其表达式为

其中n=ln(Kvs/Kvo)

从图2中可以看出,在整个工作范围内,线性特性曲线的斜率是常数。对数特性曲线的斜率是变化的,在开始时斜率小,接近全开时斜率大。

为了说明式(5)和式(6),要定义一些与Kv值有关的特殊值,即

Kvs——在全开度(H100)时的公称Kv值;

Kv100——在全开度(H100)时,测定的Kv值,即按定义实测的Kvmax

Kvo——理论特性曲线与Kv/Kvs轴的交点,它代表最小可调理论流量系数;

Kvs/Kvo——理论可调比,它代表可调范围。

三通调节阀的固有特性(图2)必须这样:总流量与流路无关,这在于恰当地选择尺寸和固有特性。

如果有一个阀芯的固有特性是对数的,那么其他的阀芯的固有特性必须是补偿对数的,这样才能互相配合,如图3。只有这样,各种开度下两个Kv值相加才是个常数。

值得注意的是,三通阀的Kvs值和直通阀的Kvs值相当。

蝶形调节阀的固有特性,不是由于阀芯和阀座的特殊性,而是由于结构确定的。因此需要用实验的方法来确定其固有特性。实验发现蝶形调节阀的固有特性近似于一个抛物线,见图4。

一般用下列公式表示蝶形调节阀固有特性。

当φ100=75°时:

当φ100=60°时:

式中φ是蝶阀旋转角度。

其他类型的调节阀和蝶形调节阀一样,它们的固有特性是由结构确定的,而不取决于结构元件的特殊性。这类调节阀运用阀门定位器来实现线性化或模式化。

这些阀门主要用于两位式调节。这时重要的不是特性曲线形式,而是稳定性。各种阀门的固有特性曲线见图5。

2.实际固有特性曲线

实际固有特性曲线只能通过实验确定,它在阀门接近全关闭时,与理论特性曲线相差更大。调节阀的特性曲线允许偏差是规定的,并且规定了接近实际固有特性曲线的公差范围。比如由H的每间隔10%的点,其各点连线的变化与H/H100=0.1~1的理论特性曲线的偏差,不超过±30%,见图6。

同样,可调比Kvl00/Kvr不能小于理论可调比最大值的10%。在开度是H100时得到的真实Kv值,不能偏离Kvs值的±10%。

关于固有特性的公差,要作以下规定:

1)理论固有特性曲线的变化定义如下:

但在每个试验段上,对于实际固有特性曲线的变化定义为:

在纵座标采用对数,横座标是百分刻度的系统中、对数特性曲线nlog为一直线。在上述条件下,特性曲线的变化经过数学变换。对于线性变成下式:

对于对数特性变成下式:

由这些关系式可知,曲线的变化是由于偏离了Kv的理论值。试验证明:特性曲线的偏离,是由于阀座和阀芯的制造公差,以及阀芯表面形状引起的。在法定的条件下,对不同测定点,在表1中给出了比率H100/△H的标准值。对于可调比Kvs/Kvo或Kvo/Kvs,最常用的比值列于表2中。

表1 比率H100/△H的标准值
h(%) h5 h10 h20 h30 h40 h50 h60 h70 h80 h90 h100
H100/△H 20 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

表2 最常用的比值
Kvs/Kvo 50/1 40/1 30/1 25/1 20/1
(Kvo/Kvs)*100 2 2.5 3.33 4 5

典型系统调节阀,理论可调比为Kvs/Kvo=30/1。轻系列调节阀的可调比为Kvs/Kvo=50/1。

2)在调节阀的工作范围内,建议采用较大的可调比。但这在制造上受到一系列的限制。因此在正常情况下,制造厂只能给出可调比的下限偏差。作为一个系列,要考虑结构、工艺、经济效益等。在特殊需要时,不论对哪种结构系列,都可以制造具有上限可调比的调节阀。

3)对于一定公称尺寸的调节阀,Kv100值越大,阀引起的能量损失越小。实际上,这个数值不仅各个系列不同,而且在同系列内,同一公称尺寸的各个阀门也不一样。引入下限偏差的目的,是不降低调节阀的水力性能。引入上限偏差的目的,是不影响工作特性。

考虑这些公差和精度,就确定了实际固有特性的最大变化。它可用来确定工作特性的范围。图7示出在试验台上测定的某个调节阀的实际特性曲线。

3.试验确定流量系数Kv

实际特性曲线是根据不同开度下的Kv值实验数据绘制的。下面讨论流量系数Kv值的工业测定方法。考虑到流量系数Kv的定义及实际情况,为了简化,只对湍流状态下进行测定。

在测定中,当阀门的公称尺寸DNl5~200mm时,对于不同阀门开度规定了如下标准条件:试验介质为水,温度t=5~30℃,密度ρ=lkg/L,运动粘度ν=10-6m2/s;阀门的压力损失△Pr=0.035~0.1MPa。

按图8的安装简图安装调节阀。在计算中要求考虑L1和L2段的压力损失,即

为保持水的温度,以使水的密度和粘度不变,以消除调节阀的振动和噪声。试验台安装在专用房间内。差压计的安装要求由压差测量值△pr测量直接给出△pr

流量的测量,在大直径的管路中,一般用孔板测量;在小直径的管路中,或开度小时,用体积法或重量法测量。

对于每个开度值测量出△pr和qν值后,再确定流量系数Kv值。

4.可调比增大的可能性

如前所述。可调比越大越好,这能使系统有一个大的口了诃范围。应采用较小口径的调节阀,以及预留发展余地,以便将来调整装置的生产能力时,不更换调节阀。

定义可调比的关系式指出,当系数Kvs和Kv100增大时,可调比增加:而当系数Kvo和Kvr下降时,可调比也增加。

从这方面研究得出结论:若使Kvs值大,能使理论可调比急剧增大;减小Kvo值,也可使可调比增大:并且可调比与调节阀的型式及内部节流元件紧密联系。

增大可调比的实际方法如下:

1)在当前生产的调节阀系列中,开发可调比接近理论真实值的类型。

2)通过改变调节阀的类型,或者改变调节阀内部阀芯的结构,使理论可调比增大。

上面指出的第一种方法,主要是使流量系数Kv100值增大。

研究结果表明,绝不允许喷嘴收缩口的通道有(毛刺、凹陷、偏心等)缺陷。特别对铸件,要防止收缩口及圆柱区的材料出现缺陷。

另一种使实际可调比接近理论可调比的方法,取决于阀芯结构。它使系数Kvr和Kvo十分接近。从这个意义上讲,要求阀座和阀芯的制造符合设计图样,其圆度和偏心的误差应尽量小。典型的阀芯-阀座的几何要素如图9所示,图中A、B、C、D1、D2尺寸应准确。

当然,为了使实际可调比与理论可调比接近,要求严格执行其他规定,如:阀杆与阀芯连接处无间隙;阀芯和阀芯的导向机构在运动中是同轴的;在阀体和阀盖之间使用薄垫片,以避免由于安装中螺钉拧得不均匀而带来的缺陷等。

第二种使可调比增大的方法是设计高可调比的阀门。这可通过改变典型阀芯的线型和采用新型的阀门来实现。

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