直通单座调节阀阀芯形面优化设计.pdf

文章编号 100225855 2010 0420005203 作者简介 张双德 1979- , 男 汉 , 甘肃靖远人, 硕士研究生。 直通单座调节阀阀芯形面优化设计 张双德 1, 张希恒1, 赵 卿2 11兰州理工大学 石油化工学院, 甘肃 兰州 730050; 21 甘肃土木工程科学研究院, 甘肃 兰州 730020 摘要 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。通过改变阀芯在不同开度下的直径, 优化阀芯外轮廓形面, 使直通单座调节 阀的设计流量特性与实际流量特性趋向一致, 减小调节误差。 关键词 调节阀; 阀芯形面;流量特性;优化设计 中图分类号 TH134 文献标识码 A Through single2seat control valve disc shape optim ization ZHANG Shuang2de 1, ZHANG Xi2heng1, ZHAO Qing2 11LanzhouUniversity of Technology Institute of Petroche m icalTechnology , Lanzhou 730050, China ; 21GansuResearch Institute of C ivilEngineering , Lanzhou 730020, China Abstract In this paper , theoretical analysis through single2seat and seat flow control valve flow area at the relationship between the flow area and valve core are derived approxi mate diameter calculation for2 mula . To change the disc opening in different degrees in diameter , opti m izing the disc2shaped outer con2 tour surface , so that through the design of single2seat control valve flow characteristics of convergence w ith the actual flow characteristics , reducing the adjust ment error . K ey words control valve ; disc shape ; flow characteristics ; opti mal design 1 概述 在现代化工厂的自动控制中, 调节阀起着十分 重要的作用。调节阀的设计取决于流动的液体或气 体的正确分配和控制, 这些控制无论是能量的交换、 压力的降低或者是容器加料, 都需要调节阀来完成。 直通单座调节阀是利用阀座与不同开度下阀芯之间 的流通面积的改变调节工业系统的流量和压差等控 制参数, 而流通面积取决于调节阀阀芯的外轮廓形 面, 本文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。通过改变阀芯在不同开度下的直 径, 优化设计阀芯外轮廓形面, 使直通单座调节阀的 设计流量特性与实际流量特性趋向一致, 减小调节 误差, 增强调节阀的可调性和灵敏度。 2 阀芯形面设计 211 流通面积 调节阀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, 由于阀芯和阀座所造成的流 通面积的局部缩小, 形成局部阻力, 节流原理与孔板 类似。在直径为 d的管道中, 接入一个调节阀, 设阀 的节流处等效直径为 do, 根据阀前后压差公式可得 不可压缩流体流量公式, 即 Q 5109 Ar N p Q 1 式中 N 阻力系数 N 1- do 4 d 4 1- Ar 2 A 2 Q 流体体积流量, m 3 /h p 调节阀的压差 p 100, kPa Q 流体密度, g/cm 3 Ar 调节阀流通面积, c m 2 A 调节阀接管横截面积, c m 2 d 调节阀阀座直径, cm 令 Kv 5109 Ar N Q Q p 2 式中 Kv 流量系数 由式 1得 52010年第 4期 阀 门 Q Kv p Q 3 则调节阀流通面积为 Ar Kv 5109 2 Kv 2 A 2 4 212 阀芯直径 直通单座调节阀的流通面积如图 1所示, 图中 阴影部分是流体的过流通道。流通截面积的底线周 长是阀座的内边周长, 顶线是对应阀行程的阀芯圆 周长的圆锥侧表面, 则圆锥侧表面宽度 m和调节阀 阀芯直径 为 图 1 调节阀流通面积 m d-d 2 - 11273 ArcosH 2cosH 5 d- 2 m cosH 6 式中 m 圆锥侧表面宽度, cm H 图 1中所示的夹角, b 阀芯直径, cm 213 阀芯形面 直通单座调节阀调节特性接近于等百分比, 其 流量特性的数学表达式为 Qi Qmax Kv Kmax R l L - l 7 式中 l 调节阀的开度, cm L 调节阀的最大开度, c m Qi 对应 l的流量, m 3 /h Qmax 对应 L的流量, m 3 /h 1设计参数 直通单座调节阀阀座通径 d 50mm , 流量系数 Kvm ax 40 , 可调比 R 30 , 行程为 25mm, 工作介质是 水, 计算不同开度下的流量系数、 流通面积和阀芯直 径 表 1。 表 1 调节阀流量系数、 流通面积和阀芯直径 相对开度 l /L 102030405060708090100 流量系数 Kv 11872 1633169511971301012614141201252814640100 流通面积 Ar/cm2013670 15160172411018114302100521802318995137771295 阀芯直径 /mm4914049 1154818048131471614616245115431043919035102 2 阀芯形面 用表 1中不同开度下对应的阀芯直径, 光滑连 接不同直径的两个端点,即可得到阀芯的外轮廓形 面图 2。 图 2 调节阀阀芯设计尺寸 3 流量特性分析 直通单座调节阀在不同相对开度下通过试验测 试的流量和流量系数见表 2 , 以相对开度 l /L 为横坐标, 相对流量系数 Kv/Km ax为纵坐标,建立 不同相对开度和相对流量系数的设计流量特性曲线 和实测流量特性曲线 图 3, 其中单座调节阀实 图 3 设计流量特性曲线与实测流量特性曲线 际流量特性接近等百分比流量特性, 实测流量特性 曲线在设计流量特性曲线的上面, 这是由于流体通 过调节阀, 其内部结构的阻力系数使得调节阀的流 6 阀 门 2010年第 4期 通能力减小,按照式 4 计算的 Kv值未考虑调 节阀内部结构的阻力系数对Kv值的影响。 分析设计流量特性曲线和实测流量特性,在相 对开度为 45 90 范围内,设计流量特性和实 测流量基本相符。而在相对开度为 15 30 范 围内,实测流量特性曲线发生畸变,实测流量大于 设计流量,说明直通单座调节阀在小开度下其内部 结构的流阻系数对流量特性有较大影响。计算实测 与设计数据的最大误差为 60 ,误差大于 GB /T 1721312- 2005的规定。 为了使调节阀在 15 30 相对开度范围内 的流量特性符合设计流量特性,需要对阀芯尺寸进 行修正。按照式 2, 若要减小 Kv值,就要减小 流体在阀座处的流通面积,增大阀芯在对应开度的 直径, 即可减小流体通过调节阀的流通面积。由此 分析, 增大阀芯小开度的直径,优化阀芯形面,就 可使调节阀在小开度下的流量特性符合设计要求。 表 2 实测流量和流量系数 相对开度 l /L 102030405060708090100 流量 m3/h3146101941118212103131321711021173271183216436115 流量系数Kv 119261286182619771731013114104191822917540118 图 4 优化后的阀芯尺寸 4 优化设计 对阀芯形面进行优化 图 4,优化后阀芯直 径在小开度下大于优化前对应的直径。 经理论计 算,得出流量特性曲线 图 5。阀芯形面优化后, 流量特性曲线和设计特性区线更接近。优化后的数 据与设计的数据最大的误差为 1016表 3,误 差小于 GB/T 1721312- 2005的规定。 图 5 设计流量特性曲线与优化流量特性曲线 表 3 优化后的曲线与设计曲线的数据对比 相对开度 l /L 102030405060708090100 设计相对流量系数K v/ Kmax 0 104701066010920112901183012570136001506017121 优化后相对流量系数K v/ Kmax 0 105101073011010114201201275013801525017241 5 结语 1 直通单座调节阀的设计流量特性与实测 流量特性在小开度下有较大误差, 这是由于在小开 度下阀门内部结构的流阻系数对流量系数影响较 大。 2 直通单座调节阀阀芯轮廓曲面与阀座间 的流道面积决定流体的流通能力, 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。 3 改变阀芯直径,可以使调节阀的设计流 量特性符合实际流量特性。优化直通单座调节阀在 小开度下阀芯轮廓曲面, 明显减小了调节阀设计流 量与实测流量的误差。 参考文献 112 明赐东. 调节阀应用 1M2. 成都四川科学技术出版社, 1989. 122 徐洪涛. 一个修改调节阀阀芯形面尺寸的计算式 1 J2. 化 工自动化及仪表,1978 ,643- 47 . 132 吴国熙. 调节阀使用与维修 1M 2.北京 化学工业出版 社,1999. 142 陆培文. 调节阀实用技术 1M2. 北京 机械工业出版社, 2006. 152 张希恒. V形调节球阀的结构优化 1 J2. 阀门,2009 ,2 39- 41. 收稿日期2010101 128 72010年第 4期 阀 门