上海方工閥門(mén)制造有限公司
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【上海方工】討論了調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系研究
上海方工閥門(mén)制造有限公司,討論了調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系,提出把可調(diào)比看作流量特性曲線(xiàn)的特征參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,指出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)流量系數(shù)偏差規(guī)定的區(qū)別,并通過(guò)相應(yīng)計(jì)算得出國(guó)內(nèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的不足之處。
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調(diào)節(jié)閥有兩種基本的流量特性:

線(xiàn)性流量特性
調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-公式1

等百分比流量特性 Ф=Ф0Rh (2)

式中:Ф 為對(duì)應(yīng)某開(kāi)度是的流量系數(shù);R 為可調(diào)比;h 為相對(duì)開(kāi)度;Ф0 為 h=0 是的流量系數(shù)。

按照傳統(tǒng)的解釋?zhuān)烧{(diào)比 R 是指所能控制最大流量的比值,即

調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-公式3

在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥時(shí),需先設(shè)定一個(gè) R 值,然后計(jì)算各開(kāi)度下的流量系數(shù) Ф,以此作為設(shè)計(jì)閥芯曲線(xiàn)和套簡(jiǎn)窗口的依據(jù)。國(guó)內(nèi)調(diào)節(jié)閥行業(yè)的兩次統(tǒng)一設(shè)計(jì),都是在設(shè)定 R=30 前提下,計(jì)算出了各開(kāi)度對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)理論值(見(jiàn)表 1)。

表 1 R=30 調(diào)節(jié)閥各相對(duì)開(kāi)度的流量系數(shù) Ф
流量特性Ф0各相對(duì)開(kāi)度 Ф 值
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
線(xiàn)性3.3313.0022.6732.3342.0051.6761.3371.0080.6790.33100.00
等百分比3.334.686.589.2512.9918.2625.6536.0550.6571.17100.00

從應(yīng)用角度,希望調(diào)節(jié)閥的放大倍數(shù) KD 大一些,而 KD 與可調(diào)節(jié)比 R 有關(guān),

線(xiàn)性特性
調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-公式4

等百分比特性
調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-公式5

式中:L 為全行程開(kāi)度??梢钥闯?,增大 KD,應(yīng)提高 R 值,因此,制造廠(chǎng)都將可調(diào)比大于某一數(shù)值作為一項(xiàng)性能指標(biāo)予以標(biāo)明。但是調(diào)節(jié)閥 R 值越大,設(shè)計(jì)制造難度越大。對(duì)單、雙座調(diào)節(jié)閥,若 R 值過(guò)大,閥芯制造時(shí)會(huì)在 90%~100% 開(kāi)度范圍內(nèi)產(chǎn)生根切現(xiàn)象;對(duì)套筒調(diào)節(jié)閥,若 R 值太大,在 90%~100% 開(kāi)度范圍內(nèi)會(huì)因窗口尺寸過(guò)寬而無(wú)法制造。這些都限制了 R 值的提高。

制造廠(chǎng)是在 R=30 前提下設(shè)計(jì)制造出調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品,但對(duì)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品實(shí)際 R 值是多大、它與 R=30 的偏差等問(wèn)題,目前尚未引起人們的重視。由于,設(shè)計(jì)人員對(duì) R 值的認(rèn)識(shí)僅局限在 Qmax 和 Qmin 的比上,而 Qmin 只是個(gè)理論上存在的數(shù)值,無(wú)法進(jìn)行測(cè)量,因此認(rèn)為實(shí)際可調(diào)比也是無(wú)法計(jì)算的。在目前見(jiàn)到的有關(guān)調(diào)節(jié)閥的資料中,尚未看到這方面的論述。國(guó)內(nèi)外調(diào)節(jié)閥的 標(biāo)準(zhǔn)中,也未提出對(duì) R 值的測(cè)量、計(jì)算和考核辦法。這是由于對(duì)可調(diào)比概念的片面理解所造成的,現(xiàn)在有必要從可調(diào)比與流量系數(shù)的關(guān)系入手作進(jìn)一步探討與研究。

1、可比閥與流量特性曲線(xiàn)的關(guān)系

從流量系數(shù)的計(jì)算公式可以看出,R 值取決于,但它決定了任意一個(gè)相對(duì)行程時(shí)的流量系數(shù)值。因此,無(wú)論從調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用角度講,這一點(diǎn)都具有很重要的實(shí)際意義。因?yàn)椋魏握{(diào)節(jié)閥都不可能使用在它的最小開(kāi)度,也就是不會(huì)用其 Qmin 來(lái)工作,大量的使用場(chǎng)合是在某一開(kāi)度(一般在全行程的 20%~80%)上對(duì)流量進(jìn)行控制。此時(shí),調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)大小決定了調(diào)節(jié)閥的工作開(kāi)度,流量系數(shù)相對(duì)于行程的變化量決定了調(diào)節(jié)閥的放大倍數(shù),這些均與 R 值有關(guān)。因此,不能簡(jiǎn)單地從 Qmax 和 Qmin 的比去理解 R 值,而應(yīng)當(dāng)把 R 值看作是整個(gè)流量特性曲線(xiàn)的一個(gè)特征參數(shù)。

分析式(1)、式(2)與式(3)、式(4)可以看出,R 值變化對(duì)線(xiàn)性流量特性影響不大,特別在 R>1 時(shí),Ф 與 KD 均與 R 值無(wú)關(guān);對(duì)等百分比特性影響則較大,因此本文討論值對(duì)流量系數(shù)的影響僅限于等百分比特性。

當(dāng) R 值作為流量特性曲線(xiàn)的一個(gè)特征參數(shù)時(shí),可以設(shè)想將全行程的流量特性曲線(xiàn)看成由幾個(gè)不同 R值決定的幾段流量特性曲線(xiàn)組合而成。在 0~80% 開(kāi)度時(shí),R 值取大一些,使調(diào)節(jié)閥在工作行程范圍內(nèi)有足夠的 R 值,也就是有足夠的放大倍數(shù)。在 80%~100% 開(kāi)度范圍,R 值取小一些,使調(diào)節(jié)閥制造過(guò)程中,閥芯曲線(xiàn)和套筒開(kāi)窗都容易實(shí)現(xiàn)。提高工作開(kāi)度下的 R值,也可以作為在調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)中探索提高流通能力的一個(gè)途徑。分段取不同的 R 值這一思想,已從 IEC534—2—4(草案)和國(guó)外一些調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)表中體現(xiàn)出來(lái),這時(shí)可調(diào)比的含義已經(jīng)不再是 Qmax 和 Qmin 之比了,它應(yīng)當(dāng)作為流量特性曲線(xiàn)的一個(gè)特征參數(shù)被認(rèn)識(shí)、被研究。

2 R 值計(jì)算方法

調(diào)節(jié)閥實(shí)際可調(diào)比 R 值是可以計(jì)算出來(lái)的,根據(jù)公式(2)可推導(dǎo)出

lnФ=lnФ0+hlnR (6)

在 lnФ—h 坐標(biāo)系中,等百分比流量特性曲線(xiàn)是一直線(xiàn),R 值實(shí)際上決定了該直線(xiàn)的斜率。實(shí)際測(cè)量一臺(tái)調(diào)節(jié)閥的流量特性,可以得到若干組(Ф,h)數(shù)據(jù),由于制造和測(cè)量誤差,這些測(cè)量值在 lnФ—h 坐標(biāo)系中呈近似直線(xiàn)分布,并認(rèn)為這條近似直線(xiàn)就是這臺(tái)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量特性曲線(xiàn)。要得到這樣一條直線(xiàn),并使其最接近坐標(biāo)系中的這些點(diǎn),建議用最小二乘法求解。

在測(cè)量一臺(tái)調(diào)節(jié)閥于不同開(kāi)度時(shí)的流量系數(shù)時(shí),可以得到相對(duì)行程和流量系數(shù)的 K 組數(shù)據(jù),代入公式(6)得到方程組

調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-公式7

式中:Ф0,R 為這臺(tái)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際值,可從方程組(7)中用最小二乘法求其近似值:

調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-公式8

一般情況下取 10 個(gè)開(kāi)度進(jìn)行測(cè)量,即 hi 分別去 0.1,0.2,0.3,…,1.0。此時(shí)有 K=10,調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-式子1=5.5;調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-式子2=3.85,代入式(8)則有

調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-公式9

將測(cè)量所得流量系數(shù) Фi 代入公式(9),即可解出該臺(tái)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際可調(diào)比 R 值。若將表 1 中等百分比流量系數(shù)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(diào)比,為了準(zhǔn)確了解調(diào)節(jié)閥在工作段的可調(diào)比,hi 可分別取 0.2,0.3,…,0.8,即 k=7,調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-式子3=3.5,調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-式子4=2.03,則有

調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系的研究-公式10

代入 20%~80% 開(kāi)度時(shí)的各流量系數(shù),可以得到該段流量特性的 R 值。同樣,將表 1 中理論值數(shù)據(jù)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(xiàn),無(wú)論用絕對(duì)流量系數(shù)或相對(duì)流量系數(shù)計(jì)算其結(jié)果都是相等的。因此,用來(lái)計(jì)算 R 值是很方便的。同樣,當(dāng)需要計(jì)算任意段流量特性曲線(xiàn)的 值時(shí),都可以推出相應(yīng)的計(jì)算公式。

3 國(guó)內(nèi)外一些調(diào)節(jié)閥 R 值的比較

依據(jù)式(9)用國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的雙座調(diào)節(jié)閥和聯(lián)合設(shè)計(jì)的套筒調(diào)節(jié)閥,以及 Fisher 公司的 ED 型套筒閥的流量系數(shù)計(jì)算相應(yīng)的 R 值,其結(jié)果見(jiàn)表 2~表 4。

從表中可以看出,盡管雙座調(diào)節(jié)閥和套筒調(diào)節(jié)閥在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先設(shè)定 R=30,但實(shí)際生產(chǎn)的各種規(guī)格的調(diào)節(jié)閥其 R 值是不相同的。

表 2 雙座調(diào)節(jié)閥流量系數(shù) Ф 值及 R 計(jì)算值
公稱(chēng)通徑 DN×dN各相對(duì)開(kāi)度 Ф 值可調(diào)比 R
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
252.654.577.8412.7617.9625.0435.0049.1174.53103.3951.5
323.096.309.9013.9918.9024.6030.1042.8074.40100.0034.6
407.4410.2811.5213.2216.8821.9228.8252.8478.9292.0017.4
507.6811.8914.9018.4022.9029.5037.8053.5070.4098.2014.6
653.957.7211.3615.5320.2026.5636.5150.7777.5399.5828.9
803.347.6410.4914.6319.8528.0037.7550.2875.4997.2532.4
1004.707.6810.3214.2018.8127.3537.0252.8272.3997.6027.1
1254.146.499.4712.8919.3727.6137.3451.8866.66103.6332.3
1502.555.708.5012.4218.1725.4534.9848.4876.7496.8145.7
200

12.2016.1020.1025.1032.0046.5075.80100.5020.0
表 3 套筒調(diào)節(jié)閥流量系數(shù) Ф 值及 R 計(jì)算值
公稱(chēng)通徑 DN×dN各相對(duì)開(kāi)度 Ф 值可調(diào)比 R
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
254.107.9012.1016.5020.4029.6042.2061.0081.50103.0030.9
40
C=16
2.126.0610.0014.3118.7524.7534.5051.0673.7596.8845.3
60
C=25
6.549.1211.7614.8420.2428.1638.6056.0078.0099.2021.3
503.106.459.9015.0522.4832.5046.5067.5090.5097.7545.2
653.256.8310.2414.6320.6327.4640.3258.7386.35107.9441.2
804.207.6711.1014.9721.0529.7040.6060.5080.1092.6029.9
1003.577.3711.0315.2121.8030.3944.1364.9082.0693.2334.9
125
C=250
3.697.0010.8015.2421.2029.8041.6059.6087.60102.8036.9
125
C=370
3.347.1410.8415.1921.8931.6245.9565.4182.4393.2437.5
2003.176.9010.7915.6622.4131.9042.7660.3481.2196.0337.8
3003.316.9210.5414.5420.2328.6243.8564.2382.3194.0838.3
表 4 Fisher 公司 ED 型套簡(jiǎn)閥流量系數(shù) Ф 值及 R 計(jì)算值
公稱(chēng)通徑 DN×dN各相對(duì)開(kāi)度 Ф 值可調(diào)比 R
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

1*1/4×1*5/16

0.7831.542.202.894.215.767.8310.914.117.227.4
1*1/2×1*7/81.522.633.875.417.4511.217.424.530.835.836.3
2×2*5/161.662.934.666.9810.816.525.437.350.759.757.6
2*1/2×2*7/83.437.1310.815.122.433.749.271.189.599.441.3
3×3*7/164.327.5310.917.127.243.566.097.012013654.2
4×4*3/85.8511.618.330.249.779.712517120522464.8
6×712.925.843.367.410416223931636839447.1
8×8L=218.538.058.486.713018926837147656741.9
8×8L=327.058.110518830747860569576181843.1

比較表 2、表 3 這兩個(gè)系列調(diào)節(jié)閥的 R 值可以看出,雙座調(diào)節(jié)閥各種規(guī)格的 R 值偏差較大,套筒調(diào)節(jié)閥各種規(guī)格的 R 值偏差較小。這與兩種閥設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)流量特性采用不同誤差判定標(biāo)準(zhǔn)相吻合,雙座調(diào)節(jié)閥以最大流量值的 10% 作為每個(gè)行程流量值的偏差范圍,而套筒閥采用國(guó)際 IEC 標(biāo)準(zhǔn)中的斜率法計(jì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求,這也說(shuō)明了 IEC 標(biāo)準(zhǔn)斜率法的先進(jìn)性。

比較表 2、表 3、表 4 還可以看出,國(guó)產(chǎn)調(diào)節(jié)閥的 R 值比國(guó)外調(diào)節(jié)閥小,國(guó)內(nèi)雙座閥R的平均值=30.5、套簡(jiǎn)閥R的平均值=36.2;Fisher 公司 ED 型套簡(jiǎn)閥R的平均值=45.9。

再按式(10)計(jì)算國(guó)內(nèi)套簡(jiǎn)閥和 Fisher 公司 ED 型套簡(jiǎn)閥在工作行程段(h=0.2~0.8)時(shí)的 R 值,并與全行程時(shí)的 R 值相比較,結(jié)果見(jiàn)表 5 與表 6??梢钥闯觯瑖?guó)產(chǎn)套簡(jiǎn)閥工作行程段的 R 值和全行程 R 值接近,無(wú)顯著改變,R的平均值=34.2,而 Fisher 公司套簡(jiǎn)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(yōu)越性在于它能更好地滿(mǎn)足自控系統(tǒng)的需要,還能提高 80% 開(kāi)度時(shí)的流量系數(shù)值,從而使全開(kāi)時(shí)閥的流通能力有較顯著的提高。通過(guò)對(duì) R 值的分析比較,說(shuō)明了國(guó)內(nèi)外調(diào)節(jié)閥在設(shè)計(jì)水平上存在一定的差距。

表 5 國(guó)產(chǎn)套筒調(diào)節(jié)閥 R 值
套筒閥行程段套筒閥各規(guī)格 R 值R 平均
2040
C=16
40
C=25
506580100125
C=250
125
C=370
200300
全行程30.945.321.345.241.229.934.936.937.537.838.336.2
h=0.2~0.826.928.920.549.233.429.535.433.039.235.238.434.2
表 6 Fisher 公司套筒閥 R 值
套筒閥行程段套筒閥各規(guī)格 R 值R 平均
1*1/4×1*5/11*1/2×1*7/82×2*5/162*1/2×2*7/83×3*7/164×4*3/86×78×8L=28×8L=3
全行程27.435.357.641.354.264.867.141.943.145.9
h=0.2~0.825.841.569.746.278.199.769.045.069.760.5

4、對(duì) IEC 534—2—4(草案)的理解

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

“在 h=0.2 和 h=0.8 之間,任意兩個(gè)相鄰流量系數(shù)發(fā)表值的對(duì)數(shù)之間的差值應(yīng)在 0.13 和 0.2 范圍內(nèi)”?!暗陀?h=0.2 這兩個(gè)值相應(yīng)為 0.13 和 0.25;高于 h=0.8,此值應(yīng)相應(yīng)為 0.03 和 0.2”。

這里作為流量特性偏差范圍的選取,應(yīng)當(dāng)看作是按 R 值的變化范圍決定的,試計(jì)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(shuō),流量特性偏差實(shí)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(guī)定正是體現(xiàn)了將 R 值作為流量特性曲線(xiàn)的一個(gè)特征參數(shù),并實(shí)現(xiàn)了在全行程范圍內(nèi)可以取不同 R 值這一設(shè)計(jì)思想。而國(guó)標(biāo) GB 4213—84《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥通用技術(shù)條件》在這個(gè)問(wèn)題上是和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異的。深入討論 R 值及流量系數(shù)的關(guān)系,無(wú)論對(duì)設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用調(diào)節(jié)閥都有一定的意義,對(duì)加強(qiáng)調(diào)節(jié)閥的基礎(chǔ)理論研究,提高我國(guó)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)制造水平,都是十分必要的。

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