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调节阀流量系数与可调比关系的研究

阅读：150发布时间：2014-11-13

调节阀有两种基本的流量特性：

线性流量特性 Ф=Ф₀+[（R-1）/R] ＊h（1）

等百分比流量特性 Ф=Ф₀R^h（2）

      式中：
      Ф为对应某开度时的流量系数
      R为可调比
      h为相对开度
      Ф₀为h=0时的流量系数。

按照传统的解释，可调比R是指所能控制的zui大流量和zui小流量的比值，即

R=zui大控制流量/zui小控制流量=Q_min/Q_max（3）

在设计调节阀时，需先设定一个R值，然后计算各开度下的流量系数Ф，以此作为设计阀芯曲线或套筒窗口的依据。国内调节阀行业的两次统一设计，都是在设定R=30前提下，计算出了各开度对应的流量系数理论值（见表1）。

表1 R=30调节阀各相对开度的流量系数Ф

流量特性	Ф₀	各相对开度的Ф值
流量特性	Ф₀	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0
线性	3.33	13.00	22.67	32.33	42.00	51.67	61.33	71.00	80.67	90.33	1000
等百分比	3.33	4.68	6.58	9.25	12.99	18.26	25.65	36.05	50.65	71.17	1000

从应用角度，希望调节阀的放大倍数K_D大一些，而K_D与可调节比R有关，

线性特性 K_D=（Q_min/L）＊（R-1）/R （4）

等百分比特性 K_D=（Q_min/L）＊InR＊R ^h-1 （5）

式中：L为全行程开度。可以看出，增大K_D，应提高R值。因此，制造厂都都将可调比大于某一数值作为一项性能指标予以标明。但是调节阀R值越大，设计制造难度越大。对单、双座调节阀，若R值过大，阀芯制造时会在90%~100%开度范围内产生根切现象；对套筒调节阀，若R值太大，在90%~100%开度范围内会因窗口尺寸过宽而无法制造。这些都限制了R值的提高。

制造厂是在R=30前提下设计制造出调节阀产品，但对调节阀产品实际R值是多大、它与R=30的偏差等问题，目前尚未引起人们的重视。由于，设汁人员对R值的认识仅局限在Q_max和Q_min的比上，而Q_min只是个理论上存在的数值，无法进行测量，因此认为实际可调比也是无法计算的。在目前见到的有关调节阀的资料中，尚未看到这方面的论述。国内外调节阀的标准中，也未提出对R值的测量、计算和考核办法。这是由于对可调比概念的片面理解所造成的，现在有必要从可调比与流量系数的关系入手作进一步探讨与研究。

1 可调比与流量特性曲线的关系

从流量系数的计算公式可以看出，R值取决于Q_min，但它决定了任意一个相对行程时的流量系数值。因此，无论从调节阀的设汁、制造和应用角度讲，这一点都具有很重要的实际意义。因为，任何调节阀都不可能使用在它的zui小开度，也就是不会用其Q_min来工作，大量的使用场合是在某一开度（一般在全行程的20%—80%）上对流量进行控制。此时，调节阀的流量系数大小决定了调节阀的工作开度，流量系数相对于行程的变化量决定了调节阀的放大倍数，这些均与R值有关。因此，不能简单地从Q_max和Q_min的比去理解R值，而应当把R值看作是整个流量特性曲线的一个特征参数。

分析式（1）、式（2）与式（3）、式（4）可以看出，尺值变化对线性流量特性影响不大，特别在R>>1时，Ф与K_D均与R值无关；对等百分比特性影响则较大，因此本文讨论R值对流量系数的影响于等百分比特性。

当R值作为流量特性曲线的一个特征参数时，可以设想将全行程的流量特性曲线看成由几个不同R值决定的几段流量特性曲线组合而成。在0~80%开度时，R值取大一些，使调节阀在工作行程范围内有足够的R值，也就是有足够的放大倍数。在80%~100%开度范围，R值取小一些，使调节阀制造过程中，阀芯曲线和套筒开窗都容易实现。提高工作开度下的R值，也可以作为在调节阀设计中探索提高流通能力的一个途径。分段取不同的R值这一思想，已从IEC534-2-4（草案）和国外一些调节阀流量系数表中体现出来，这时可调比的含义已经不再是Q_max和Q_min之比了，它应当作为流量特性曲线的一个特征参数被认识、被研究。

2 R值计算方法

调节阀实际可调比R值是可以计算出来的。根据公式（2）可推导出

InФ=InФ₀+h＊InR （6）

在InФ—h坐标系中，等百分比流量特性曲线是一直线，R值实际上决定了该直线的斜率。实际测量一台调节阀的流量特性，可以得到若干组（Ф，h）数据，由于制造和测量的误差，这些测量值在坐标系中呈近似直线分布，并认为这条近似直线就是这台调节阀的实际流量特性曲线。要得到这样一条直线，并使其zui接近坐标系中的这些点，建议用zui小二乘法求解。

在测量一台调节阀于不同开度时的流量系数时，可以得到相对行程和流量系数的K组数据，代入公式（6）得到方程组

InФ₁=InФ₀+h₁＊InR

InФ₂=InФ₀+h₂＊InR （7）

..............

InФ_i=InФ₀+h_i＊InR

式中，Ф₀，R为这台调节阀的实际值，可从方程组（7）中用zui小二乘法求其近似解：

（8）

一般情况下取10个开度进行测量，即h_i分别取0.1，0.2，0.3，…，1.0。此时有

带入式（8）则有

InR=0.545*In（Ф₁₀/Ф₁）+0.424*In（Ф₉/Ф₂）+0.303*In（Ф₈/Ф₃）+0.182*In（Ф₇/Ф₄）+0.061*In（Ф₆/Ф₅）（9）

将测量所得流量系数Фi代入公式（9），即可解出该台调节阀的实际可调比R值。若将表1中等百分比流量系数的理论值代入公式（9），即可反算出R=30。按式（9）解出的是全行程的可调比，为了准确了解调节阀在工作段的可调比，hi可分别取0.2，0.3…，0.8，即

则有

InR=1.07*In（Ф₈/Ф₂）+0.714*In（Ф₇/Ф₃）+0.357*In（Ф₆/Ф₄）（10）

代入20%~80%开度时的各流量系数，可以得到该段流量特性的R值。同样，将表1中理论值数据代人式（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现，无论用流量系数或相对流量系数计算其结果都是相等的。因此，用来计算R值是很方便的。同样，当需要计算任意段流量特性曲线的R值时，都可以推出相应的计算公式。

3 国内外一些调节阀R值的比较

依据式（9）用国内统一设计的双座调节阀和联合设计的套筒调节阀，以及Fisher公司的ED型套筒阀的流量系数计算想应的R值，其结果见表2~表4。

表2 双座调节阀流量系数Ф值及R计算值

公称通径DN	各相对开度的Ф值										可调比R
公称通径DN	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0	可调比R
25	2.65	4.57	7.84	12.76	17.76	25.04	35.00	49.11	74.53	103.39	51.5
32	3.09	6.30	9.90	13.99	18.90	30.10	30.10	42.80	74.40	100.00	34.6
40	7.44	10.28	11.52	13.22	16.88	28.82	28.82	52.84	78.92	92.00	17.4
50	7.68	11.89	14.90	18.40	22.90	37.80	37.80	53.50	70.40	98.20	14.6
65	3.95	7.72	11.36	15.53	20.20	36.51	36.51	50.77	77.53	99.58	28.9
80	3.34	7.64	10.49	14.63	19.85	37.75	37.75	50.28	75.49	97.25	32.4
100	4.70	7.68	10.32	14.20	18.81	37.02	37.02	52.82	72.39	97.60	27.1
125	4.14	6.49	9.47	12.89	19.37	37.34	37.34	51.88	66.66	103.63	32.3
150	2.55	5.70	8.50	12.42	18.17	34.98	34.98	48.48	76.74	96.81	45.7
200			12.20	16.10	20.10	32.00	32.00	46.50	75.80	100.50	20.0

表3 套筒调节阀流量系数Ф值及R计算值

公称通径DN	各相对开度的Ф值										可调比R
公称通径DN	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0	可调比R
25	4.10	7.90	12.10	16.50	20.40	29.60	42.20	61.00	81.50	103.00	30.9
C=16	2.12	6.06	10.00	14.31	18.75	20.75	34.50	51.06	73.75	96.88	45.3
C=25	6.54	9.12	11.76	14.84	20.24	28.16	38.60	56.00	78.00	99.20	21.3
50	3.10	6.45	9.90	15.05	22.48	32.50	46.50	67.50	90.50	97.75	45.2
65	3.25	6.83	10.24	14.63	20.63	27.46	40.32	58.73	86.35	107.94	41.2
80	4.20	7.67	11.10	14.97	21.05	29.70	40.60	60.50	80.10	92.60	29.9
100	3.57	7.37	11.03	15.21	21.80	30.39	44.13	64.90	82.06	93.23	34.9
C=250	3.69	7.00	10.80	15.24	21.20	29.80	41.60	59.60	87.60	102.80	36.9
C=370	3.34	7.14	10.84	15.19	21.89	31.62	45.95	65.41	82.43	93.24	37.5
200	3.17	6.90	10.79	15.66	21.41	31.90	42.76	60.34	82.21	96.03	37.8
300	3.31	6.92	10.54	14.54	20.23	28.62	43.85	60.23	82.31	94.08	38.3

表4 Fisher公司ED型套筒阀流量系数Ф值及R计算值

公称通径 DN*dg	各相对开度的Ф值										可调比R
公称通径 DN*dg	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0	可调比R
1¹/₄*1⁵/₁₆	0.783	1.54	2.20	2.89	4.21	5.76	7.83	10.9	14.1	17.2	27.4
1¹/₂*1⁷/₈	1.52	2.63	3.87	5.41	7.45	11.2	17.4	24.5	30.8	35.8	35.3
2*2⁵/₁₆	1.66	2.93	4.66	6.98	10.8	16.5	25.4	37.3	50.7	59.7	57.6
2¹/₂*2⁷/₈	3.43	7.13	10.8	15.1	22.4	33.7	49.2	71.1	89.5	99.4	41.3
3*3⁷/₁₆	4.32	7.53	10.9	17.1	27.2	43.5	66.0	97.0	120	136	54.2
4*4³/₈	5.85	11.6	18.3	30.2	49.7	79.7	125	171	305	224	64.8
6*7	12.9	25.8	43.3	67.4	104	162	239	316	368	394	47.1
8*8_L₌₂	18.5	38.0	58.4	86.7	130	189	268	371	476	567	41.9
8*8_L₌₃	27.0	58.1	105	188	307	478	605	695	761	818	43.1

从表中可以看出，尽管双座调节阀和套筒调节阀在设计时预先设定R=30，但实际生产的各种规格的调节阀其R值是不相同的。

比较表2、表3这两个系列调节阀的R值可以看出，双座调节阀各种规格的R值偏差较大，套筒调节阀各种规格的R值偏差较小。这与两种阀设计时对流量特性采用不同误差判定标准相吻合，双座调节阀以zui大流量值的10%作为每个行程流量值的偏差范围，而套筒阀采用IEC标准中的斜率法计算流量特性偏差的方法。显然，后一种方法较前一种方法更能保证R值达到设计要求，这也说明了IEC标准斜率法的*性。

比较表2、表3、表4还可以看出，国产调节阀的R值比国外调节阀小，国内双座阀R=30.5、套筒阀R=36.2；Fisher公司ED型套筒阀R=45.9。

再按式（10）计算国内套筒阀和Fisher公司ED型套筒阀在工作行程段（h=0.2~0.8）时的R值，并与全行程时的R值相比较，结果见表5与表6。可以看出，国产套筒阀工作行程段的R值和全行程R值接近，无显著改变，R=34.2，而Fisher公司套筒阀在工作行程段的R值明显高于全行程的R值，R=60.5。

表5 国产套筒调节阀R值

套筒阀行程段	套筒阀各规格R值											R平均
套筒阀行程段	20	40 C=16	40 C=25	50	65	80	100	150 C=250	150 C=370	200	300	R平均
全行程	30.9	45.3	21.3	45.2	41.2	29.9	34.9	36.9	37.5	37.8	38.3	36.2
H=0.2~0.8	26.9	28.9	20.5	49.2	33.4	29.5	35.4	33.0	39.2	35.2	38.4	34.2

表6 Fisher公司套筒阀R值

套筒阀行程段	套筒阀各规格R值									R平均
套筒阀行程段	1¹/₄*1⁵/₁₆	1¹/₂*1⁷/₈	2*2⁵/₁₆	2¹/₂*2⁷/₈	3*3⁷/₁₆	4*4³/₈	6*7	8*8_L=2	8*8_L₌₃	R平均
全行程	27.4	35.3	57.6	41.3	54.2	64.8	47.1	41.9	43.1	45.9
H=0.2~0.8	25.8	41.5	69.7	46.2	78.1	99.7	69.0	45	69.7	60.5

提高工作行程段的R值，其优越性在于它能更好地满足自控系统的需要，还能提高80%开度时的流量系数值，从而使全开时阀的流通能力有较显著的提高。通过对R值的分析比较，说明了国内外调节阀在设计水平上存在一定的差距。

4 对IEC534-2-4（草案）的理解

IEC 534-2-4（草案）第3.3款对等百分比流量特性作了如下规定：

“在h=0.2和h=0.8之间，任意两个相邻流量系数发表值的对数之间的差值应在0.13和0.2范围内”。“低于h=0.2这两个值相应为0.13和0.25；高于h=0.8，此值应相应为0.03和0.2”。

这里作为流量特性偏差范围的选取，应当看作是按R值的变化范围决定的，试计算

      R=20，0.1 X logR=0.13
      R=100，0.1 X logR=0.20
      R=300，0.1 X logR=0.25
      R=2，0.1 X logR=0.03

也就是说，流量特性偏差实质上是分段限制R值的变化范围，即

      h=0.2~0.8，R=20~100
      h=0.8~1.0，R=2~100
      h=0~0.2，R=20~300

IEC的这一规定正是体现了将R值作为流量特性曲线的一个特征参数，并实现了在全行程范围内可以取不同R值这一设计思想。而国标GB 4213-84《气动调节阀通用技术条件》在这个问题上是和IEC标准存在一定差异的。深入讨论R值及流量系数的关系，无论对设计、制造、应用调节阀都有一定的意义，对加强调节阀的基础理论研究，提高我国调节阀设计制造水平，都是十分必要的。

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