Y型旋转阀流量特性研究

郑建光，沈平平，孙 杰

（中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018）

阀门一般作为管道输送系统中的介质量的控制部件，具有调节、截止、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能.所以，在各类阀门的设计开发、试验研制、阀门产品的检测过程及用户使用过程中，都需要了解该阀门的流量特性和阻力特性.这些特性对了解阀门和提高阀门产品技术水平、保证阀门产品质量是重要的.

本实验研究是在本校的水流量标准实验室装置上进行的，分别对某厂家提供的3个不同口径的同类Y型旋转阀门进行实验检测，记录数据，然后计算并整合成图表，最后分析解读该阀门的各类特性.

1 Y型旋转阀原理及几何结构

实验检测用Y型旋转阀公称通径为DN15、DN20与DN25三种.

Y型旋转阀工作原理，其启闭件是塞形的阀瓣，密封面呈平面或锥面，阀瓣沿流体的中心线作直线运动.阀杆的运动形式为升降旋转杆式.

旋转阀属于强制密封式阀门，所以在阀门关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏.当介质由阀瓣下方进入阀腔时，操作力所需要克服的阻力，是阀杆和填料的磨擦力与由介质的压力所产生的推力，关阀门的力比开阀门的力大，所以阀杆的直径要大，否则会发生阀杆顶弯的故障.

一般在旋转阀开启时，阀瓣的开启高度为公称直径的25%～30%时，流量已达到最大，表示阀门已达全开位置.该阀的外形如图1，结构如图2.

图1 Y型旋转阀Figure 1 Y type rotary valve

2 实验装置及实验检测设计

该实验研究是在水流量标准装置上进行的，由标准容器做标准器，其准确度达0.2%.

研究设计是：将测试阀门按其不同口径尺寸分别安装在试验管路相应位置上，调节管道压力各恒定为某值（0.15～0.4MPa之间），通过调节阀门上的开度L（旋转阀打开圈数）来调节流量.

图2 Y型阀门的内部结构图Figure 2 Internal structure of the valve

将管道压力条件在上述值的范围内变化几次，测量每次变化后，改变阀门开度时的流量和阀门前后压差.将测量所得的每组数据记录.

经过上面步骤的实验，将得到不同尺寸该类阀门的流量和压差数据.对这些数据进行计算处理，分析其流量、差压与随开度、管道压力变化的特性，确定阀门的控制能力.

3 实验检测数据记录

依照上述实验设计过程，测得这三个不同口径尺寸的Y型旋转阀的阀杆，在不同开度、不同管道压力的每小时流量和两端的差压数据.

在研究这些Y型旋转阀时，因为它们是同一类的阀门，其流量特性趋势具有相似性.

在相同的管道压力和开度时，较大尺寸阀门的流通面积较大，决定了它流量也最大.

由于篇幅所限，在此仅列出中间口径DN20 Y型旋转阀门的测试数据记录为例（表1）.

表1 DN20Y型阀门的测试数据Table 1 DN20Ytype valve test data

根据上面表1中的数据，分析得到其流量特性，如图3.

图3 DN20Y型阀门流量—开度关系图Figure 3 DN20Ytype valve flow and opening relationship diagram

从上面趋势图3中可以看出：阀门的流量随开度（由关而开的顺序）增加而增加.管道的压力越大，总体流量越大.

阀门在开度较大时流量变化慢，开度较小时变化较快.这是因为阀门在开度较小时就有了较大流量，所以其流量特性比较与如上所述的快开特性符合.

在开度较大时，流量变化在管道压力较小时要比较大的平稳，可知管道压力大时压力损失越大.

与流量相同，通过实验对差压数据的处理，选取DN＝20mm（3／4寸）阀门的差压随开度与管道压力变化趋势用关系图4表现出来.

图4 DN20Y型阀门差压—开度关系图Figure 4 DN20Ytype valve differential pressure and opening relationship diagram

从图4中可以看出：阀门的差压随开度（由开而关的顺序）减小而增加.管道的压力越大，两端的差压越大.在相同管道压力和开度圈数的情况下，通径越大的阀门其两端的差压就越小.

4 实验数据处理

经数据计算，口径DN15、DN20和DN25阀门在实验时的最小雷诺数都在紊流状态.

4.1 流量系数的计算

阀门流量系数Kv随阀门尺寸、形式、结构而变化，流体紊流流动时，计算公式为：

由不同的管道压力得到的流量系数分别为：Kv1～Kv6，为了更准确的确定该系数，对每种管道压力计算作和求平均系数：

计算得到阀门的流量系数（各种管道压力条件下阀门均为全开）：

1）DN15阀门的流量系数计算结果如下：

求得1／2寸Y型旋转阀的流量系数约为4.3652m3／h·bar－1／2

2）同理，DN20阀门流量系数计算结果如下：

求得3／4寸Y型旋转阀的流量系数约为4.6833m3／h·bar－1／2

3）同上，DN25阀门流量系数计算结果如下：

求得：1寸Y型旋转阀的流量系数约为8.3367m3／h·bar－1／2

从上述计算可知：

例3 如图10，在Rt△ABC中，∠ABC=90°，AB=8，BC=6，四边形DEFG是△ABC的内接矩形，点E，F分别在边AB，BC上，点D、G在边AC上，H是矩形DEFG对角线的交点，求线段CH长度的最小值.

1）流量系数的特性，管道压力变化对其影响很小（管道压力大时其系数稍小）；

2）阀门的流量系数与阀门的公称通径关系，通径越大的阀门，其流量系数就越大.

为了了解两者的关系，在阀门全开时，这三种尺寸阀门的流量与差压的关系如图5.

图5 阀门为全开，管道压力变化时，三种阀门的流量－差压关系图Figure 5 Valve fully open，line pressure change，three kinds of valve flow and differential pressure relationship diagram

从上图5中可以看出：

1）在管道压力增加使阀门两端的差压变大时，单位时间通过阀门的流量也增加；

2）差压增加到一定程度时，流量随差压增加的速度变缓慢；

3）差压相同时，通径大的阀门流量也大，流量随差压增长趋势越明显.

4.2 流阻系数的计算

流体流经阀门造成的压力损失，衡量这一损失的指标就是流阻系数K值.K为无量纲系数，取决于阀门的尺寸、结构和内腔形状等因素.

其计算公式：

式（3）中：K—流阻系数；ΔP—阀门的压力降（Pa）；ρ—流体密度（kg／m3）；v—流速（m／s）

管道流体的流速v可以通过全开时阀门的流量和直径求得：

求得DN15阀门的各种管道压力调节下的流阻系数，再计算得到DN15阀门各种管道压力下的平均流阻系数：

同理，可得DN20阀门各种管道压力下的平均流阻系数：

同上，可得DN25阀门各种管道压力下的平均流阻系数：

（流阻系数：流体通过阀门时，表征阀门对流体产生的阻力损失Δp的量）

从上述计算可知：

1）流阻系数与流量系数同是阀门的固有特性，管道压力变化对其只有很小的影响（管道压力变大时，流量变大，差压增加，流阻系数会有少量增加）；

2）Y型旋转阀的流阻系数与阀门的公称通径有关，DN20的阀门的流阻系数最大，DN15阀门的流阻系数最小.

5 Y型旋转阀特性分析

5.1 阀门的固有流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开四种

图6 DN15Y型阀门流量－开度关系图Figure 6 DN15Ytype valve flow and opening relationship diagram

为了分析阀门的流量特性变化，通过实验数据，将选取的这些阀门的流量随开度与管道压力变化趋势用关系图的形式表现出来.如图6～8所示.

从上述趋势图6～8中可以看出：

1）Y型阀门的流量随开度（由关而开的顺序）增加而增加；

2）管道的压力越大，管道总体流量越大；

3）Y型阀门在开度较大时流量变化慢，开度较小时变化较快.

因为Y型阀门在开度较小时就有了较大流量，所以其流量特性比较与快开特性符合.

在开度较大时，Y型阀门流量变化在管道压力较小时要比较大的平稳，可知管道压力大时压力损失越大，这种趋势符合上述流量计算结果.

Y型阀门阀门全开时，计算得到的流量系数Kv1到Kv6值有略微递减趋势.

5.2 差压趋势分析

通过对实验差压数据的处理，将这些Y型阀门阀门的差压随开度与管道压力变化趋势，用关系图9～11表示.

图9 DN15Y型阀门差压－开度关系图Figure 9 DN15Ytype valve differential pressure and opening reiationship diagram

从上述趋势图9～11中可以看出：

1）Y型阀门的差压随开度（由开而关的顺序）减小而增加；

2）管道的压力越大，两端的差压越大；

3）在相同管道压力和开度圈数的情况下，通径越大的Y型阀门其两端的差压就越小.

5.3 流量刚度及对阀门控制力的分析

Y型阀门开度的变化使差压和流量改变，这种特性可用流量刚度T来表征，它反映了节流口在负载压力变化时保持流量稳定的能力，定义为压差与流量的比值.

由公式（6）可求其流量刚度：

式（6）中：m—阀的节流口形状和结构指数，m值在0.5～1之间，

因选取的阀门节流口接近细长孔，m值取1.

计算DN15、DN20及DN25的阀门，得到阀门的刚度数据：

表2 DN15阀门流量刚度Table 2 DN15Valve flow stiffness

表3 DN20阀门流量刚度Table 3 DN20Valve flow stiffness

表4 DN25阀门流量刚度Table 4 DN25Valve flow stiffness

根据以上刚度数值，在管道压力为0.15MPa，这三种阀门的刚度关系，如图12.

从以上刚度数据与图像可得以下结论：

1）在开度全开或接近全开时，流量刚度变化较小，说明开度大时，Y型阀门的控制能力较弱.当由开到关至接近3.5圈时，流量刚度变化明显，因此Y型阀门流量控制能力较强.

2）口径较小的Y型阀门和口径较大的阀门比较，在相同开度时，较小口径的流量刚度大.说明较小口径的Y型阀对流量的控制能力较强.即与开度小时阀门的控制能力强相同，且小口径时，更接近细长孔m值越大（接近1），流量刚度T也越大.

3）开度一定时，管道压力增加后，Y型阀门其刚度也变大，控制作用变的明显.

图12 管道压力0.15MPa时不同开度与口径各阀门的刚度Figure 12 0.15MPa，different opening the valves stiffness

4）不同口径的Y型阀门的流量调节刚度随着相对开度的变化规律基本相同，小开度时流量刚度大些，大开度时变化小些.

6 结 语

本实验研究检测用的Y型旋转阀是某厂的出口欧洲的产品，应用在民用热力管道上的.本次实验研究对该Y型旋转阀的流体流量特性和阀门调节特性做了较为详实的实验研究和数据与图表分析解读，这些计算数据和趋势性的判断结论，可能为企业产品设计生产提供一定的理论依据，同时也能更好地为使用Y型旋转阀的用户提供一些选择参考.

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