1、 化学工程与装备 2023 年 第 1 期 184 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 1 月 微小型单座阀阀芯型线的优化设计及试验微小型单座阀阀芯型线的优化设计及试验 魏高鹏，胡 赟（杭州杭氧工装泵阀有限公司，浙江 杭州 311300）摘摘 要要：理论分析得出单座调节阀等百分比流量特性下行程与流通截面积间的一般关系式，通过几何关系确定出不同开度下的等值面曲线方程、采用包络线法绘制阀芯型线、建立三维模型，通过数值模拟计算阀芯在不同开度下的流通能力，根据计算结果对阀芯型线进行局部优化后试制，用试制阀芯做流量特性试验验证设计符合度。关键词关键词：阀芯；型线设
2、计；流量特性 前前 言言 单座型调节阀是通过改变阀芯与阀座之间的流路截面积对流量进行控制，阀芯的型线是决定流路截面积的关键，通过设计阀芯型线可以得到不同的流量特性。阀门的固有流量特性指的是在阀前、阀后压差保持不变时,介质流经阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系1。固有流量特性主要有线性、等百分比特性，本文研究等百分比流量特性阀芯型线的设计。1 1 理论基础理论基础 等百分比流量特性是指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，其数学表达式化简后为：（1）通过对调节阀的节流原理分析，得出调节阀的流量系数计算公式如下2：（2）若用值来表达等百分比流量特性，则有：（3）单座调
3、节阀的额定流量系数为，阀体和阀内件的流量系数分别为和，调节阀的总压差，由式(2)推出：（4）典型单座 Globe 阀体的流量系数用下式估算3：（5）式中，阀体的口径，in 在 ISO6358 中规定，在压缩性可以忽略时可以采用有效流路面积 A 值来表示流量特性。A 值与Cv值和Kv值是同一类特性参数，他们之间的换算关系如下4：（6）对于某一口径的单座调节阀，额定、额定行程 H设计给定，根据式(5)可估算出阀体，根据(3)(4)式可计算出不同行程下相应阀内件的，根据式(6)可换算出不同行程下的流路面积 A。2 2 阀芯型线的设计阀芯型线的设计 如图 2.1，为了保证密封，单座阀阀座密封面一般会设
4、计一定的角度。在某一行程下阀芯与阀座间的流路面积 A为：以 O 为端点，以角度（0）引出若干射线，射线与阀芯型线形成交点 M，以 OM 为母线所形成的圆台体侧表面积。分别赋予 不同的值，即可得到一系列 M 点，连接各 M 点所形成的曲线，即为该开度下的等值面积曲线。阀芯形线则是不同行程下等值面积曲线所组成的等值面积曲线簇的包络线。DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.01.056 魏高鹏：微小型单座阀阀芯型线的优化设计及试验 185 图图 2 2.1.1 等值面积曲线示意图等值面积曲线示意图 2.1 相关几何关系示意图 如图 2.2 所示，M 点坐标分别为（X,Y）,则以
5、OM 为母线所形成的圆台体侧面积 A 为：（7）式中 D，阀座喉径，mm 可得：（8）根据几何关系有：（9）考虑行程则式(8)可表达为:（10）式中 i 为阀门开度(%)，式(10)即为 i 开度下等值面积曲线方程，根据该式可得出任一行程下的等值面积曲线，采用包络线法进行几何作图即可得出阀芯型线。3 3 数值模拟计算及优化数值模拟计算及优化 按上述方式设计如表 3.1 所示结构参数的阀芯型线，建立三维模型如图 3.1：表表 3.1 3.1 公称直径公称直径 DN7DN7 阀芯的结构参数阀芯的结构参数 阀门口径 阀芯口径 阀座喉经 D 行程 H 额定 可调比 R DN25 DN7 5mm 12m
6、m 0.55 50 新建仿真算例，介质选择为水、温度 273K，设定边界条件为入口的静压 0.7MPa,出口静压 0.1MPa，求解目标为入口质量流量。网格划分时，除了设置全局网格外，由于阀芯与阀座间形成的间隙极小，通过添加局部网格进行细化，在细小的狭长通道处将细化等级提高至 6 级，使得最小开度下总网格数量在 50 万左右。图图 3.1 DN73.1 DN7 阀芯三维模型阀芯三维模型 图图 3.2 DN73.2 DN7 阀芯流量特性曲线阀芯流量特性曲线 图图 3.3 3.3 阀芯阀座实物照片阀芯阀座实物照片 186 魏高鹏：微小型单座阀阀芯型线的优化设计及试验 将求解结果带入式(2)换算成相
7、应的流量系数,结果如表 3.2 所示，绘制流量特性曲线如图 3.2，由图可知：（1）该阀芯流量特性已接近于等百分比流量特性；（2）最大偏差点为开度为 100%时，误差为 。对比模拟结果，对几个偏差大的开度进行微量修正，按上述方式经多次模拟计算确定最终阀芯型线，并加工制造，阀芯、阀座实物如图 3.3 所示。表表 3.2 3.2 数值模拟不同开度下流量系数值模拟不同开度下流量系数数 开度%10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 质 量 流 量/Kg/h 7.2 20.88 51.84 104.04 178.56 255.24 358.56 519.48 777.6 1159.
8、2 流量系数/Cv 0.0038 0.011 0.0272 0.0546 0.0937 0.1336 0.1881 0.2725 0.408 0.6082 4 4 试验验证试验验证 为了验证优化后的阀芯是否满足等百分比流量特性要求及与理论流量特性间的符合度,将该阀芯装配至 DN25 调节阀中连接至阀门流量系数试验台位，分别在 10%、100%开度下,对调节阀的流量系数进行测试，如图 4.1 所示。图图 4.1 4.1 调节阀流量系数测试系统调节阀流量系数测试系统 图图 4.2 4.2 DN7DN7 阀芯流量特性曲线阀芯流量特性曲线 用 20的水为试验介质，只要测定相应开度下通过阀门的流量、进出
9、口的压差即可根据公式(4)求出该开度下阀门的流量系数，试验数据如表 4.1，绘制流量特性曲线如图4.2，由图可知：（1）该阀芯实测流量特性满足等百分比流量特性。（2）60%开度以下实测值与理论值高度吻合；60%开度以上实测值整体偏高于理论值。（3）最大偏差点为 80%开度，实测 Cv=0.2762,理论Cv=0.2515,误差为 9.82%。表表 4.14.1 试验测得试验测得不同开度下流量系不同开度下流量系数数 开度%10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 质量流量/Kg/h 10.2 17.28 27.6 41.76 60 97.2 149.4 223.2 320.4
10、 480 流量系数/Cv 0.0126 0.0214 0.0341 0.0517 0.0742 0.1203 0.1849 0.2762 0.3964 0.59 5 5 结束语结束语 经试验验证通过该种方式所设计的阀芯型线满足等百分比流量特性，最大偏差 9.82%,满足相关标准要求。上述阀芯型线的设计方法可操作性强，精度能得到有效保证，同时缩短了设计周期，减少了反复加工试验等工作量，在工程应用中具有很强的实用性。参考文献参考文献 1 张双德.直通单座调节阀阀芯形面优化设计D.兰州:兰州理工大学,2010:17.2 孙涛.基于改进 BP 神经网络的调节阀阀芯型面的优化设计与研究D.镇江:江苏大学,2018:13-14.3 王渭,等.直通单座调节阀额定流量系数的估算J.化工自动化及仪表,2017,44(09):879.4 蔡茂林.现代气动技术理论与实践第一讲:气动元件的流量特性J.液压气动与密封,2007,27(2):48.