直通单座调节阀阀芯形面优化设计

1、2010年第4期 文章编号:100225855(2010)0420005203阀 门 ) 5 )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:AThroughsingle2seat

2、controlvalvediscshapeoptimizationZHANGShuang2de,ZHANGXi2heng,ZHAOQing2(11LanzhouUniversityofTechnologyInstituteofPetrochemicalTechnology,Lanzhou730050,China;21GansuResearchInstituteofCivilEngineering,Lanzhou730020,China)Abstract:Inthispaper,theoreticalanalysisthroughsingle2seatandseatflowcontrolvalv

3、eflowareaattherelationshipbetweentheflowareaandvalvecorearederivedapproximatediametercalculationfor2mula.Tochangethediscopeningindifferentdegreesindiameter,optimizingthedisc2shapedoutercon2toursurface,sothatthroughthedesignofsingle2seatcontrolvalveflowcharacteristicsofconvergencewiththeactualflowcha

4、racteristics,reducingtheadjustmenterror.Keywords:controlvalve;discshape;flowcharacteristics;optimaldesign1 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

5、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,节流原理与孔板作者简介:张双德(1979-),男(汉),甘肃靖远人,硕士研究生。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NQ式中 N)阻力系数Q=5109doArN=1-4=1-2dA3Q)流体体

6、积流量,m/h$p)调节阀的压差($p=100),kPaQ)流体密度,g/cm2Ar)调节阀流通面积,cmA)调节阀接管横截面积,cmd)调节阀阀座直径,cm=QN式中 Kv)流量系数由式(1)得令Kv=5109Ar$p(2)2342Ar(1)6)阀 门 2010年第4期(d-11273ArcosH)m=(5)2cosH<=d-2mcosH(6)式中 m)圆锥侧表面宽度,cmH)图1中所示的夹角,(b)<)阀芯直径,cm213 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lQiKv(-l)=R(7)QmaxKmax式中 l)调节阀的开度,cmL)调节阀的最

7、大开度,cm3Qi)对应l的流量,m/hQmax)对应L的流量,m/h(1)设计参数直通单座调节阀阀座通径d=50mm,流量系数Kvmax=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)。303169017244818040511911018481315071301143047161601012621005461627014141218024511580201253189943104902814651377391901004010071295351023Q=Kv(3)Q则调节阀流通面积为KvAr=(4)Kv2109+2A212 阀芯直径

8、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d-图1 调节阀流通面积表1 调节阀流量系数、流通面积和阀芯直径相对开度l/L(%)流量系数Kv流通面积Ar/cm2阀芯直径</mm10118701367491402021630151649115(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)。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/Kmax为纵坐标,建立

9、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2 调节阀阀芯设计尺寸图3 设计流量特性曲线与实测流量特性曲线3 流量特性分析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2010年第4期阀 门 ) 7 )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

10、度下的流量特性符合设计要求。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相对开度l/L(%)流量m3/h流量系数Kv1031461192201019461283011182618240121036197表2 实测流量和流量系数501313271736017

11、110101317021173141048027118191829032164291751003611540118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/T1721312-2005的规定。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。经理论计相对开度l/L(%)设计相对流量系数Kv/Kmax优化后相对流量系数Kv/Kmax100104701051200106601073300109201101400112901142图5 设

12、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500118301260012570127570013600138800150601525900171201724100115 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