單通道多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥閥芯開(kāi)度設(shè)計(jì)方法比較

劉文祥 ，石世宏

（1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215000；2.凱士比閥業(yè)（常州）有限公司，江蘇 常州213000）

1 概述

單通道多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥是應(yīng)對(duì)高壓差?lèi)毫庸r的首選產(chǎn)品，其基本工作原理是將作用在整個(gè)閥芯上的全部壓降分解到每級(jí)閥芯上，使得每級(jí)閥芯壓差減小到低于介質(zhì)的飽和蒸汽壓力，從而避免空化和氣蝕的發(fā)生，降低高壓差?lèi)毫庸r對(duì)閥芯的破壞[1，2]。對(duì)多級(jí)閥芯的開(kāi)度設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的方法是采用疊加法來(lái)計(jì)算，這種方法存在計(jì)算過(guò)程復(fù)雜和效率較低的問(wèn)題，本文從逆向思維的角度提出新的方法——分解法來(lái)進(jìn)行閥芯開(kāi)度設(shè)計(jì)計(jì)算，這種方法對(duì)閥芯無(wú)論是線(xiàn)形流量特性還是等百分比流量特性都適用，也對(duì)不論多少級(jí)數(shù)的閥芯適用，同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了計(jì)算工作效率。

2 多級(jí)閥芯結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原理

如前文所述，單級(jí)閥芯（見(jiàn)圖1）存在不抗高壓差的缺點(diǎn)，多級(jí)閥芯（見(jiàn)圖2和3）可有效解決該問(wèn)題[3]。

圖1 單級(jí)

圖2 三級(jí)

圖3 六級(jí)

調(diào)節(jié)閥閥芯的流通能力與閥芯開(kāi)度設(shè)計(jì)存在直接關(guān)系，通常滿(mǎn)足以下關(guān)系見(jiàn)公式1。而不同閥芯形狀和開(kāi)度設(shè)計(jì)又存在線(xiàn)形特性和等百分比特性?xún)煞N情況，其流通能力與閥門(mén)開(kāi)度之間的關(guān)系分別見(jiàn)公式2和3，這種關(guān)系對(duì)于單級(jí)和多級(jí)閥芯中的每一級(jí)閥芯都是適用的[4-6]。對(duì)于多級(jí)閥芯，其總的流通能力與單個(gè)閥芯之間的關(guān)系如公式4所示。

式中：Cv為整個(gè)閥芯的流通能力系數(shù)；Q為閥芯在任意開(kāi)度下的流量；Qmax為閥芯在最大開(kāi)度時(shí)的流量；Cvi為第i級(jí)閥芯的流通能力系數(shù)；N為單位系數(shù)（常數(shù)）；ρ為流體密度；△P為閥芯兩側(cè)的壓差；R為閥芯的可調(diào)比（常數(shù)）；h為閥芯的開(kāi)度（閥芯行程與最大行程的百分比）；n為多級(jí)閥芯的級(jí)數(shù)。

從上述公式可以看出，流通能力與流通能力系數(shù)成線(xiàn)形正比關(guān)系，各級(jí)閥芯與整個(gè)閥芯的流通能力成線(xiàn)形正比關(guān)系且與閥芯流量特性是線(xiàn)性特性或等百分比特性無(wú)關(guān)。

3 流通能力和閥芯開(kāi)度設(shè)計(jì)計(jì)算

在設(shè)計(jì)多級(jí)閥芯時(shí)，常用的閥芯開(kāi)度設(shè)計(jì)方法是疊加法，就是先根據(jù)閥門(mén)入口處工作參數(shù)計(jì)算第一級(jí)閥芯的流量能力、閥芯開(kāi)度和減壓后的壓力，然后將第一級(jí)閥芯計(jì)算輸出結(jié)果作為第二級(jí)閥芯開(kāi)度設(shè)計(jì)的條件來(lái)設(shè)計(jì)第二級(jí)閥芯開(kāi)度以及類(lèi)似設(shè)計(jì)輸出，以此類(lèi)推，最后完成全部級(jí)數(shù)的閥芯開(kāi)度設(shè)計(jì)。這種計(jì)算方法流程較長(zhǎng)，有順序性要求，效率不高，工作量大。而分解法的原理是先虛擬一個(gè)閥芯（可以認(rèn)為是一個(gè)單級(jí)閥芯），設(shè)計(jì)好這個(gè)單級(jí)閥芯后，根據(jù)流量特性曲線(xiàn)和所需級(jí)數(shù)進(jìn)行分解，將對(duì)應(yīng)流量系數(shù)作為各級(jí)閥芯設(shè)計(jì)的輸入條件，然后將各級(jí)閥芯的開(kāi)度設(shè)計(jì)計(jì)算出來(lái)。

以圖2和圖3多級(jí)閥芯為例，假設(shè)介質(zhì)為水，閥前壓力12 MPa，閥后壓力3 MPa，溫度25℃，對(duì)線(xiàn)形特性和等百分比特性閥芯計(jì)算[7-8]。分別兩種特性的3級(jí)閥芯為例，如圖4所示，先計(jì)算整機(jī)Cv曲線(xiàn)及在不同開(kāi)度下的Cv值，然后將該Cv值除以閥芯級(jí)數(shù)得到對(duì)應(yīng)的單級(jí)Cv值，再根據(jù)單級(jí)Cv值進(jìn)行閥芯具體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)設(shè)計(jì)，計(jì)算數(shù)據(jù)全部結(jié)果如表1所示。

圖4 整體與單級(jí)閥芯流通能力關(guān)系

結(jié)果表明：（1）利用分解法進(jìn)行計(jì)算結(jié)果與疊加法幾乎完全相同，驗(yàn)證了前文理論推導(dǎo)和分析的結(jié)論；（2）隨著閥芯級(jí)數(shù)的增多，整個(gè)閥芯的流通能力系數(shù)會(huì)隨之降低，符合前文理論公式推論。

表1 線(xiàn)性特性和等百分比特性閥芯各開(kāi)度Cv

同樣利用以上所述兩種不同的方法對(duì)閥芯開(kāi)度進(jìn)行設(shè)計(jì)并計(jì)算，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明：采用多級(jí)閥芯時(shí)，采用分解法和疊加法的計(jì)算結(jié)果幾乎完全相同，而且計(jì)算結(jié)果和結(jié)論與閥芯特性是線(xiàn)形或等百分比無(wú)關(guān)，同時(shí)也適用于所有任意級(jí)數(shù)的多級(jí)降壓閥芯設(shè)計(jì)。

表2 閥芯開(kāi)度設(shè)計(jì)計(jì)算

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同流量特性和不同級(jí)數(shù)的閥芯流通能力系數(shù)和開(kāi)度的計(jì)算和分析，驗(yàn)證了利用分解法進(jìn)行計(jì)算的有效性和可靠性，該方法對(duì)線(xiàn)形特性和等百分比特性閥芯都適用，理論上也適用于任何其它特性的閥芯設(shè)計(jì)，同時(shí)也適用于任意級(jí)數(shù)的閥芯設(shè)計(jì)。這為多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的閥芯設(shè)計(jì)提供了新的方法選擇，與傳統(tǒng)的疊加法比較，更為簡(jiǎn)單和快捷，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)成本，對(duì)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)和選型具有重要實(shí)踐作用和參照價(jià)值。