新型轴流阀设计及实验测试

高佳男,章圣意,张洪军

(1.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018;2.浙江苍南仪表集团股份有限公司,浙江 苍南 325800)

流量调节阀在冶金、化工以及其它流程工业中应用广泛,是重要的管道附件。调节阀有四种典型的流量特性曲线,即直线型、快开型、抛物型和对数型(也称等百分比型),直线型流量调节阀流量随开度呈线性变化,在小开度时变化明显,而在大开度时,变化缓慢,调节灵敏度低,因而会出现大开度下调节能力不足等问题;抛物线型调节阀流量与开度为二次方关系,小流量时流量随开度变化较慢,大流量时流量增加变快;快开型调节阀小流量时流量变化迅速,大开度时接近直线型;等百分比型流量调节阀行程变化引起的流量变化与该点流量成正比,小开度时流量变化比抛物线型缓慢,调节精度高,大开度流量变化比抛物线型还要快。等百分比调节阀由于流量调节精度高,可用调节比宽,常被用作液压和气动设备流体控制的执行机构[1-3]。在各类调节阀中,轴流式调节阀有调节比宽、调节平稳、对流动扰动小等特点,在有较高调节特性要求的应用中具有优势,也容易实现等百分比调节阀设计。由于阀口形状、套筒开孔形状、加工工艺、气体的压缩性和腔室内气体的热交换和摩擦等因素的影响,调节阀的调节特性一般很难达到理想状态[4-7]。针对轴流阀的改进研究仍然在不断进行。常占东等[8-9]对轴流阀的工作原理、特点进行了分析和设计,并给出了关键零部件的设计方法。闵为龙[10]等对整齐调节阀进行了改进和实验研究,重新设计了调节阀的线型,验证了调节阀的流量特性和窗口的线型有较大关系。

本文结合传统的套筒轴流阀提出了一种长条开孔的套筒设计,实现开度和流量的等百分比关系,推导了阀门压损和流量之间的计算公式,从而能够在一定经验数据的基础上实现阀门设计计算。设计了一款套筒式轴流流量计,并进行了试验测试。

1 轴流阀设计

1.1 轴流阀结构

调节阀的总体结构如图1所示,轴流式调节阀由阀体、阀芯、阀杆、手轮、活塞、套筒、后整流罩等组成。套筒后半段开有变截面的纵向条形孔,活塞安装在阀芯上,阀芯和阀杆通过90度锥形齿轮传动。阀门工作时,流体左侧流入,右侧流出。转动阀杆,带动阀芯沿轴向前后移动,改变活塞和套筒的相对位置控制阀门的开度。变截面条形孔的设计使得阀门具有接近等百分比的调节特性。流体在流经阀门过程中基本沿轴向流动,尾部整流罩避免了流动漩涡区,使得流动更加平顺稳定,从而可以达到降低阀门流动阻力和对下游流动的扰动。考虑用于原理试验,因此没有进行专门的耐压、密封等设计。

1—阀体;2—套筒;3—阀杆;4—手轮;5—阀芯;6—活塞;7—尾部整流罩图1 轴流式流量调节阀示意图Figure 1 Schematic diagram of axial flow regulating valve

1.2 流动特性分析

调节阀在整个系统中是一个阻力可变的元件,其流通面积的改变导致局部阻力系数变化。假定调节阀水平安装,阀门全开时流通面积为A,某一开度下的流通面积为Ar,阀前后的压降为ΔP=(P1-P2),流体密度为ρ,流量为Q,管道内平均流速为V,则调节阀前后的压差,对于某开度下的调节阀,其压力降计算公式可以写成:

(1)

式中,ζ为阀门流阻系数,可用如下公式近似表示:

(2)

式中ζ0—阀门全开情况下的阻力系数。

右侧第二项是由于阀门未全开带来的额外局部阻力。

由(1)和(2)式得平均流速:

(3)

调节阀某一开度下的流量:

(4)

令流量系数:

(5)

则:

(6)

其中:

(7)

由式(6)可见,流过调节阀的流量,与调节阀当前开度下的KV值、调节阀前后的压差和流体密度有关。对于特定调节阀,KV值仅是开度的函数,即流量特性曲线。

调节阀全开时:

(8)

如果设定阀门总压降恒定,流体不可压,其相对流量系数:

(9)

等百分比型调节阀指的是阀门开度变化与流量在行程(位移)的每一点上单位行程变化所引起的流量的变化与此点的流量成正比,流量变化的百分比是相等的,即:

(10)

式中,l为阀芯位移;L为阀芯最大位移;K为比例系数。

上式积分得:

(11)

式中,C为积分常数。

相对流量与相对开度之间是对数关系。根据边界条件:l=0时,Q=Qmin;l=L时,Q=Qmax,可得:

(12)

由式(9)和(12)有:

(13)

式中,R为可调比,R=Qmax/Qmin;RKV为相对流量系数。

由式(13)可见,调节阀的相对开度l/L和调节阀的相对KV值之间为指数关系,通过测量不同开度情况下调节阀的流量,可以计算并绘制调节阀的流量特性曲线。

1.3 套筒条形孔设计

计算得到各个阀门开度下阀口面积Ar数值列于表1。

表1 阀门开度和阀口面积Table 1 Valve opening and port area

图2 条形孔设计数据Figure 2 Design data of the strip hole

设计时阀门公称直径为DN50,管道内径D=50 mm。取阀门全开时阀口面积为管道流通面积的1.05倍,则A=2 060.6 mm2。根据预仿真结果,ζ0≈3.0,取可调比R=30。设计阀套长条孔为10个,阀芯行程为L=40 mm。

2 实验系统和测试过程

实验测试系统包括鼓风机、被测轴流调节阀、流量计、连接管路、微差压计、压力变送器和计算机等组成(图3)。调节阀与鼓风机之间、调节阀与流量计之间装有流动整直器,保证调节阀和流量计入口比较理想的流动。鼓风机采用了高压涡流风机,流量可达150 m3/h,最大风压25 kPa,流量计为日本爱知TRX50-E气体超声波流量计,口径为DN50,最大流量150 m3/h,测量精度为±1%。调节阀上下游管路上设有取压管座,用取压软管将取压管座分别于微差压计正负压接口连接测量调节阀压损ΔP。调节阀下游压力管座同时与压力变送器连接,测量此处流体流动的静压信号。压力变送器的量程范围为0～10 kPa,型号为CY200数字压力传感器,动态测量采样频率为1 000 Hz,与计算机直接通讯实现数字采集。

图3 调节阀测试原理图Figure 3 Principle for the regulating valve testing

测量时,首先将管路安装好,设定压力变送器采样频率为1 000 Hz,采样时间为10 s。然后,将调节阀全开,打开风机,流动稳定后,读取和记录流量计显示流量和微差压计度数,同时计算机采集压力信号。接下来每次将调节阀开度调小10%,记录上述数据,直至完全关闭。以上实验测试过程重复5次。

3 实验结果与分析

3.1 调节阀流量特性

由测量得到的调节阀压损和流量数据,根据公式(7)～(9)可计算出不同开度下调节阀的流量系数KV、相对流量系数RKV和偏差率δ,其中偏差率δ为实测流量系数相对于设计流量系数相对偏差。

(14)

实验进行了5次重复测量,测试数据和处理结果列于表2。为了更加清楚地展示相对流量系数与开度的关系,将表2中的相对流量系数与相对开度数据绘制了曲线,见图4。图4曲线显示5次实验结果与设计曲线比较吻合。表2数据中,偏差率除了在10%开度和50%开度时超过10%和5%以外,其他不超过5%,尽管个别数据偏差较大,但总体来说,设计数据与实际结果比较接近,说明设计计算和设计方法是正确的。

图4 相对流量系数与相对开度的关系Figure 4 Relationship between relative flow coefficient and relative opening

表2 不同开度下的相对流量系数Table 2 Relative flow coefficients at different openings

3.2 调节阀压损和下游压力脉动

调节阀阻力损失采用最大开度时流动阻力损失系数来描述(参考公式1)。实验测得调节阀前后的压差ΔP,可由式(1)计算得出有整流罩和无整流罩情况下调节阀流阻系数,结果列于表3。有无后整流罩时,调节阀流阻系数平均值分别为4.45和5.17。有整流罩时的阻力系数比无整流罩时减小13.9%,后整流罩的减阻作用是比较显著的。

表3 流阻系数Table 3 Flow resistance coefficients

从调节阀下游压力信号的脉动情况可以评价调节阀对流动的扰动。图5为100%开度下(流量为159.6 m3/h),有整流罩和无整流罩时调节阀下游管道内静压信号。未装后整流罩时,压力波动范围0～0.6 kPa,有整流罩时压力波动范围约为0～0.4 kPa,波动降低比较明显。采用压力均方根值来定量评价信号脉动更加合理。无整流罩时压力均方根值为0.086 3 kPa,有整流罩时为0.050 9 kPa,降低了41.0%。可见整流罩能够减少调节阀对下游管道的流动扰动,使流动更加平稳。

图5 调节阀下游管道内流动静压信号图(阀门开度100%)Figure 5 Pressure signals of the flow down stream of the regulating valve(valve opening 100%)

4 结 论

本文设计了一款具有等百分比调节特性的新型气体轴流流量调节阀,并进行了实验测试。在突扩局部阻力模型的基础上,推导了流阻系数和流量系数的关系,据此进行了套筒变截面条孔型线和尺寸设计;结构设计中,调节阀尾部设计了整流罩。结果显示,流量系数设计值和实验值有较好的一致性,证明设计方法是可行的,为套筒阀窗口设计提供一种新思路;加装尾部整流罩可减小阀门压力损失13.9%,减小下游管道压力脉动41.0%,尾部整流罩整流作用比较明显。所设计的气体流量调节阀具有等百分比调节特性,适合于中小口径管道内气体流量精确调节。