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    上海滬工閥門廠(集團)有限公司

    English
    滬工閥門

    上海滬工閥門廠(集團)有限公司

    摘要:從實際使用要求出發,討論了調節閥流量系數與可調比關系,提出把可調比看作流量特性曲線的特征參數。在此基礎上,指出國家標準和 IEC 標準對流量系數偏差規定的區別,并通過相應計算得出國內現有標準及產品設計中存在的不足之處。

    關鍵詞調節閥流量系數可調比

    調節閥有兩種基本的流量特性:

    線性流量特性調節閥流量系數與可調比關系的研究-公式1

    等百分比流量特性 Ф=Ф0Rh (2)

    式中:Ф 為對應某開度是的流量系數;R 為可調比;h 為相對開度;Ф0 為 h=0 是的流量系數。

    按照傳統的解釋,可調比 R 是指所能控制最大流量的比值,即

    調節閥流量系數與可調比關系的研究-公式3

    在設計調節閥時,需先設定一個 R 值,然后計算各開度下的流量系數 Ф,以此作為設計閥芯曲線和套簡窗口的依據。國內調節閥行業的兩次統一設計,都是在設定 R=30 前提下,計算出了各開度對應的流量系數理論值(見表 1)。

    表 1 R=30 調節閥各相對開度的流量系數 Ф
    流量特性 Ф0 各相對開度 Ф 值
    0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
    線性 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

    從應用角度,希望調節閥的放大倍數 KD 大一些,而 KD 與可調節比 R 有關,

    線性特性調節閥流量系數與可調比關系的研究-公式4

    等百分比特性調節閥流量系數與可調比關系的研究-公式5

    式中:L 為全行程開度。可以看出,增大 KD,應提高 R 值,因此,制造廠都將可調比大于某一數值作為一項性能指標予以標明。但是調節閥 R 值越大,設計制造難度越大。對單、雙座調節閥,若 R 值過大,閥芯制造時會在 90%~100% 開度范圍內產生根切現象;對套筒調節閥,若 R 值太大,在 90%~100% 開度范圍內會因窗口尺寸過寬而無法制造。這些都限制了 R 值的提高。

    制造廠是在 R=30 前提下設計制造出調節閥產品,但對調節閥產品實際 R 值是多大、它與 R=30 的偏差等問題,目前尚未引起人們的重視。由于,設計人員對 R 值的認識僅局限在 Qmax 和 Qmin 的比上,而 Qmin 只是個理論上存在的數值,無法進行測量,因此認為實際可調比也是無法計算的。在目前見到的有關調節閥的資料中,尚未看到這方面的論述。國內外調節閥的 標準中,也未提出對 R 值的測量、計算和考核辦法。這是由于對可調比概念的片面理解所造成的,現在有必要從可調比與流量系數的關系入手作進一步探討與研究。

    1、可比閥與流量特性曲線的關系

    從流量系數的計算公式可以看出,R 值取決于,但它決定了任意一個相對行程時的流量系數值。因此,無論從調節閥的設計、制造和應用角度講,這一點都具有很重要的實際意義。因為,任何調節閥都不可能使用在它的最小開度,也就是不會用其 Qmin 來工作,大量的使用場合是在某一開度(一般在全行程的 20%~80%)上對流量進行控制。此時,調節閥的流量系數大小決定了調節閥的工作開度,流量系數相對于行程的變化量決定了調節閥的放大倍數,這些均與 R 值有關。因此,不能簡單地從 Qmax 和 Qmin 的比去理解 R 值,而應當把 R 值看作是整個流量特性曲線的一個特征參數。

    分析式(1)、式(2)與式(3)、式(4)可以看出,R 值變化對線性流量特性影響不大,特別在 R>1 時,Ф 與 KD 均與 R 值無關;對等百分比特性影響則較大,因此本文討論值對流量系數的影響僅限于等百分比特性。

    當 R 值作為流量特性曲線的一個特征參數時,可以設想將全行程的流量特性曲線看成由幾個不同 R值決定的幾段流量特性曲線組合而成。在 0~80% 開度時,R 值取大一些,使調節閥在工作行程范圍內有足夠的 R 值,也就是有足夠的放大倍數。在 80%~100% 開度范圍,R 值取小一些,使調節閥制造過程中,閥芯曲線和套筒開窗都容易實現。提高工作開度下的 R值,也可以作為在調節閥設計中探索提高流通能力的一個途徑。分段取不同的 R 值這一思想,已從 IEC534—2—4(草案)和國外一些調節閥流量系數表中體現出來,這時可調比的含義已經不再是 Qmax 和 Qmin 之比了,它應當作為流量特性曲線的一個特征參數被認識、被研究。

    2 R 值計算方法

    調節閥實際可調比 R 值是可以計算出來的,根據公式(2)可推導出

    lnФ=lnФ0+hlnR (6)

    在 lnФ—h 坐標系中,等百分比流量特性曲線是一直線,R 值實際上決定了該直線的斜率。實際測量一臺調節閥的流量特性,可以得到若干組(Ф,h)數據,由于制造和測量誤差,這些測量值在 lnФ—h 坐標系中呈近似直線分布,并認為這條近似直線就是這臺調節閥的實際流量特性曲線。要得到這樣一條直線,并使其最接近坐標系中的這些點,建議用最小二乘法求解。

    在測量一臺調節閥于不同開度時的流量系數時,可以得到相對行程和流量系數的 K 組數據,代入公式(6)得到方程組

    調節閥流量系數與可調比關系的研究-公式7

    式中:Ф0,R 為這臺調節閥的實際值,可從方程組(7)中用最小二乘法求其近似值:

    調節閥流量系數與可調比關系的研究-公式8

    一般情況下取 10 個開度進行測量,即 hi 分別去 0.1,0.2,0.3,…,1.0。此時有 K=10,調節閥流量系數與可調比關系的研究-式子1=5.5;調節閥流量系數與可調比關系的研究-式子2=3.85,代入式(8)則有

    調節閥流量系數與可調比關系的研究-公式9

    將測量所得流量系數 Фi 代入公式(9),即可解出該臺調節閥的實際可調比 R 值。若將表 1 中等百分比流量系數的理論值代入公式(9),即可反算出 R=30。按式(9)解出的是全行程的可調比,為了準確了解調節閥在工作段的可調比,hi 可分別取 0.2,0.3,…,0.8,即 k=7,調節閥流量系數與可調比關系的研究-式子3=3.5,調節閥流量系數與可調比關系的研究-式子4=2.03,則有

    調節閥流量系數與可調比關系的研究-公式10

    代入 20%~80% 開度時的各流量系數,可以得到該段流量特性的 R 值。同樣,將表 1 中理論值數據代入式(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現,無論用絕對流量系數或相對流量系數計算其結果都是相等的。因此,用來計算 R 值是很方便的。同樣,當需要計算任意段流量特性曲線的 值時,都可以推出相應的計算公式。

    3 國內外一些調節閥 R 值的比較

    依據式(9)用國內統一設計的雙座調節閥和聯合設計的套筒調節閥,以及 Fisher 公司的 ED 型套筒閥的流量系數計算相應的 R 值,其結果見表 2~表 4。

    從表中可以看出,盡管雙座調節閥和套筒調節閥在設計時預先設定 R=30,但實際生產的各種規格的調節閥其 R 值是不相同的。

    表 2 雙座調節閥流量系數 Ф 值及 R 計算值
    公稱通徑 DN×dN 各相對開度 Ф 值 可調比 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 套筒調節閥流量系數 Ф 值及 R 計算值
    公稱通徑 DN×dN 各相對開度 Ф 值 可調比 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 型套簡閥流量系數 Ф 值及 R 計算值
    公稱通徑 DN×dN 各相對開度 Ф 值 可調比 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

    比較表 2、表 3 這兩個系列調節閥的 R 值可以看出,雙座調節閥各種規格的 R 值偏差較大,套筒調節閥各種規格的 R 值偏差較小。這與兩種閥設計時對流量特性采用不同誤差判定標準相吻合,雙座調節閥以最大流量值的 10% 作為每個行程流量值的偏差范圍,而套筒閥采用國際 IEC 標準中的斜率法計算流量特性偏差的方法。顯然,后一種方法較前一種方法更能保證 R 值達到設計要求,這也說明了 IEC 標準斜率法的先進性。

    比較表 2、表 3、表 4 還可以看出,國產調節閥的 R 值比國外調節閥小,國內雙座閥R的平均值=30.5、套簡閥R的平均值=36.2;Fisher 公司 ED 型套簡閥R的平均值=45.9。

    再按式(10)計算國內套簡閥和 Fisher 公司 ED 型套簡閥在工作行程段(h=0.2~0.8)時的 R 值,并與全行程時的 R 值相比較,結果見表 5 與表 6。可以看出,國產套簡閥工作行程段的 R 值和全行程 R 值接近,無顯著改變,R的平均值=34.2,而 Fisher 公司套簡閥在工作行程段的 R 值明顯高于全行程的 R 值,R的平均值=60.5。

    提高工作行程段的 R 值,其優越性在于它能更好地滿足自控系統的需要,還能提高 80% 開度時的流量系數值,從而使全開時閥的流通能力有較顯著的提高。通過對 R 值的分析比較,說明了國內外調節閥在設計水平上存在一定的差距。

    表 5 國產套筒調節閥 R 值
    套筒閥行程段 套筒閥各規格 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 公司套筒閥 R 值
    套筒閥行程段 套筒閥各規格 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、對 IEC 534—2—4(草案)的理解

    IEC 534—2—4(草案)第 3.3 款對等百分比流量特性做了如下規定:

    “在 h=0.2 和 h=0.8 之間,任意兩個相鄰流量系數發表值的對數之間的差值應在 0.13 和 0.2 范圍內”。“低于 h=0.2 這兩個值相應為 0.13 和 0.25;高于 h=0.8,此值應相應為 0.03 和 0.2”。

    這里作為流量特性偏差范圍的選取,應當看作是按 R 值的變化范圍決定的,試計算

    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

    也就是說,流量特性偏差實際上是分段限制 R 值的變化范圍,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 的這一規定正是體現了將 R 值作為流量特性曲線的一個特征參數,并實現了在全行程范圍內可以取不同 R 值這一設計思想。而國標 GB 4213—84《氣動調節閥通用技術條件》在這個問題上是和 IEC 標準存在一定差異的。深入討論 R 值及流量系數的關系,無論對設計、制造、應用調節閥都有一定的意義,對加強調節閥的基礎理論研究,提高我國調節閥設計制造水平,都是十分必要的。


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