迷宮式調節閥迷宮通道阻力系數的推導

楊自文 焦娜

摘 要：根據迷宮式調節閥的降壓原理，通過伯努利方程原理推導迷宮通道的阻力系數，為實現迷宮閥快速設計提供理論依據。

關鍵詞：迷宮閥;迷宮通道;阻力系數

1 概述

迷宮式調節閥是一種由連續阻力型相互不連通的多級多流路節流套筒組成的用于高壓差工況的調節閥，被廣泛應于石油化工、電力、核能等行業中。隨著我國工業建設的快速發展，迷宮式調節閥的應用也越來越廣泛，客戶技術需求大量增加。以往的迷宮通道設計通常采用商業軟件進行模擬分析計算，設計成本和時間投入多，無法滿足裝置現場閥門替換、改造等客戶迫切需求。根據迷宮式調節閥的降壓原理，推導迷宮通道的阻力系數，對解決客戶現場需求，實現快速設計有現實意義。

2 迷宮閥原理

閥門的汽蝕現象通常伴隨著閥門的劇烈振動，高噪音以及閥門內件的沖擊和磨損，為避免汽蝕對閥門的損害，實際應用中通常通過兩種辦法實現。一種是使用高硬度的材料加工閥門內件，材料硬度越高則抗汽蝕能力越強;另一種則是通過增加閥門的阻力系數，來不斷消耗介質的能量。迷宮閥就是利用這個原理，使介質在迷宮通道中經過連續轉彎和碰撞（圖1），不斷造成能量損耗，控制介質流速，防止閥門產生高噪音和振動。

國外相關研究中，將閥門內部節流件的介質出口能量和流速做了相關限制，對于大多數連續單相流體工況，調節閥出口動能的接受標準限制在70psi（480kPa），流速控制在30m/s以下，存在潛在空化和多相流的工況時標準應該降低到40psi（275kPa），流速控制在23m/s以下。通過采用具有連續阻力迷宮通道的內件，以滿足建議的動能設計標準，閥門的性能得到了顯著改善。

對比普通單座調節閥與迷宮閥的降壓過程（圖2），可以預見，迷宮閥擁有更大的壓力恢復系數FL，壓力恢復系數越大，則表明閥門抗汽蝕能力越強。迷宮閥的壓力恢復系數通常可達到0.99以上，單座閥只有0.7～0.9左右，用公式表示：

3 伯努利方程

根據伯努利定理，橫基準面上的任意一點，其總能量（全壓）等于高度壓頭（位能）、壓力頭（靜壓）和速度頭（動壓）三者之和，等式為：

但現實中，必然存在流體的摩擦損失以及能量的輸入和輸出，用hl表示，被包括在伯努利方程中，等式為：

流體在管道系統中流動時主要存在兩種阻力;一種是在流道方向上與管壁摩擦造成的阻力，稱為沿程阻力，用hf表示，阻力系數用Kf表示;另一種阻力發生在流動邊界有急變的流場中，如流動方向改變、通道內有障礙物、通道截面積或形狀突然改變等，這種集中發生的能量損失稱為局部阻力，用hj表示，阻力系數用Kj表示。系統中的總水頭損失hl等于各段沿程損失和各處局部損失之和：

4 一般能量方程在設計迷宮通道時的應用和推導

對于不可壓縮流體，假設流入迷宮通道的流體體積流量為Q，流速用v表示，通道截面積為A，則：

迷宮通道對流體的阻力主要是在直角轉彎以及出入口附近的局部阻力。設通道入口處局部阻力系數為Ki，出口處局部阻力系數為Ko，假設中間每階段具有相同的沿程阻力Kf和局部阻力Kj，每階段總阻力系數等于兩者之和，用Kt表示，則：

通過階段阻力系數的計算，可以方便預測迷宮通道各級的壓降。GB/T17213.2標準中迷宮通道的截面積擴大比E的推薦范圍：1.12～1.23。各階段阻力系數Kt的取值與通道的形狀、粗糙度、截面積擴大系數等有關系，需要通過實驗驗證和確定。通道流量系數Kv則可以根據公式推導計算。

5 總結

以上推導過程證明，迷宮通道的級數越多，則其阻力系數越大，介質流速也就越小，但也意味著需要更大的流通面積來滿足流量的需求，實際應用中應根據介質壓差等工況合理選用迷宮通道的級數。隨著迷宮閥在國內的應用越來越廣泛，部分工況閥門需要特殊設計和制造甚至改造，對設計人員也有了新的要求。本文對迷宮閥迷宮通道阻力系數的推導旨在通過公式指導設計，如有不當之處，請各位同行批評指正。

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