调节阀阀瓣流量特性曲线优化

为保证调节阀具有固定的流量特性曲线，对于连续调节的调节阀，需要采用复杂的异形阀瓣。流量特性曲线取决于阀门的公称通过能力q_y（或流量系数K_V），以及阀瓣开启高度h。

阀瓣的流量特性曲线有以下几种：直线、抛物线及等比（对数）特性曲线。通常用直线特性曲线，其次是对数特性曲线，而抛物线则很少采用。

图3-112 直线特性曲线

1—q_mmin=0 2—q_mmin=0.2 3—qmmin=0.5

1.直线特性曲线

直线特性曲线能保证介质的质量流量q_m与阀瓣的位移h（除阀瓣降至可调节行程范围内的极点位置外）成正比关系。一般这种关系可写成不通过坐标原点的直线方程（图3-112）：

q_m=Ch+q_mmin （3-100）

式中，C为常数，它与阀的结构和尺寸，以及介质和压力降都有关，；qmmin为介质的最小流量（h=0时）。

调节阀通常做成当阀瓣关闭时，在q_mmin=0的情况下，其阀瓣的行程与流量的关系，可表示成通过坐标原点为q_m=Ch的直线。

调节阀阀瓣的行程与流量的关系以绝对值表示。如以相对值表示，其方程式应改为

式中，为介质质量流量，在调节范围内，用与最大流量q_mmax的比值（%）表示，即x；为介质的最小（不可调节的）质量流量，用比值表示；为对应于流量的阀瓣位移，以比值表示（h_n为总调节行程或可调节的行程）；为常数，其值为，当和时，将此C值代入式（3-101），可得相对位的直线特性曲线方程式：

当时，方程式变为

阀瓣的直线特性曲线方程式还可用图解法（图3-112）求得。如x点的流量q_m为

但

式（3-102）反映了介质流量与阀瓣开启高度所对应的直线变化关系，即方程式本身就表示阀瓣的工作特性曲线。

介质的质量流量与介质的密度和流速有关，与调节阀的结构要素无关。为了绘制阀瓣的内特性曲线，必须撇开这些因素。

当给定调节阀的工作参数条件（介质、压力损失、温度）时，阀的质量流量即与公称通过能力q_my（或流量系数K_V）成正比，因此阀瓣的特性曲线方程式则为

q_my=C_yh+q_mymin （3-104）

且当q_mymax=0时，有

q_my=C_yh

式中，q_my为当阀瓣处于所研究位置时，阀门的公称通过能力；C_y为常数。采用相对值以及相应的，可得到前面类似的方程式为

此式为阀瓣的直线内特性曲线。当阀的压力损失恒定，并且系统的阻力（不包括阀门在内）不大时，能保证获得直线特性曲线。相对值q_m、和，可从0～1变化。

2.抛物线流量特性曲线

抛物线流量特性曲线如图3-113所示，它能保证以下关系：

q_m=Ch²+q_mmin （3-105）

当q_mmin=0时，有 qm=Ch²

阀门的流量与阀瓣的开启高度以相对值表示。

正如直线流量特性曲线方程式（3-105）那样，可得

和

当，时，则，由此，公式改成

当时

此式表示阀瓣的抛物线特性曲线。

图3-113 抛物线流量特性曲线

1—q_mymin=0 2—qm_ymin=0.02 3—q_mymin=0.04

公称通过能力q_my以相对值的关系表示，则有

这一方程式为阀瓣的抛物线内特性曲线。当阀门压力损失恒定，且系统阻力（不包括阀门在内）不大时，能保证阀瓣的工作特性曲线为抛物线。

3.对数流量特性曲线

对数流量特性曲线如图3-114所示，它能保证的关系。在对数特性曲线情况下，首先是阀瓣的行程与介质流量成正比。因此，阀瓣升高，其流量按比例增加，于是特性曲线便由此而得名。将移项，并将等式两边积分，得

以相对值表示

式中，为当时的介质流量；C为常数。

图3-114 对数（等比）流量特性曲线

1—q_mymin=0.02 2—q_mymin=0.04 3—q_mymin=0.1

常数值可用下述方法求得

当

及

时，得

，由此得

。因此有

最后得

这就是等比（对数）特性曲线（图3-114）方程式。

为了绘制阀瓣的对数内特性曲线，将方程式中的公称通过能力用相对值表示，则有

按有关标准，最小调节流量系数K_V和K_Vmin，对于双座式调节阀等于0.04，单座式调节阀等于0.02。

对数特性曲线调节阀的公称通过能力，当最小相对调节流量时，列于表3-44；当时，列于表3-45。(https://www.xing528.com)

表3-44 当q_mymin=0.02时，对数特性曲线调节阀的q_my值

表3-45 当q_mymin=0.04时，对数特性曲线调节阀的q_my值

如果以符号K_V（流量系数）表示，则内特性曲线方程式将变为以下形式：

1）在为直线特性曲线时，有

K_V=C_yh+K_Vmin （3-107）

当K_Vmin=0时，有K_V=C_yh

以相对值表示：

当时；有

2）在为抛物线特性曲线时，有

K_V=C_yh²+K_Vmin （3-108）

当K_Vmin=0时，有 K_V=C_yh²

以相对值表示：

当时

3）在为对数特性曲线时，有

利用所给定的特性曲线相对应的任一演变公式，便可确定阀瓣在各种位置的介质流量。根据此流量，可求出阀瓣在阀座中的开启截面尺寸，以及该阀瓣的尺寸和形状。

上面所推导的公式，可以确定当调节阀的压力损失恒定情况下的内特性曲线。实际上，阀门的压力损失只是系统压力损失的一部分，而且阀门的压力损失是随调节阀的开启程度而变的。这种情况会引起外特性曲线失真，即所得到的工作特性曲线与内特性曲线两样。

现在来研究不可压缩液体中阀门的工作情况，假定管道中的阻力为常数，系统（不包括阀门）的阻力系数为ζ_T=常数，而阀门的压力损失Δp_K则随介质的流量而变。根据假定条件，得

Δp_K=Δp_C-Δp_T

式中，Δp_C为整个系统（包括阀门）的压力损失；Δp_T为不包括阀门的系统压力损失。

Δp_T值与管路中介质流速的平方成正比，因而也与流经管路的介质流量的平方成正比，故

式中，Δp_Tσ为当介质为最大流量时，系统（不包括阀门）的压力损失。

将Δp_T代入Δp_K值中，得

令

式中，Δp_Kσ为在调节范围内，当介质为最大流量时调节阀的压力损失；Δp_Cσ为在调节范围内，当介质为最大流量时，整个系统（包括阀门）的压力损失。

前面已推导出：

两式相除，得

将Δp_K值代入，得

由此，得

故

于是，有

但 Δp_Tσ=Δp_Cσ-ΔpKσ

故

将式中的Δp_C/Δp_Cσ提出，约去，并以

代之，得

令Δp_C/Δp_Cσ=n，可得

在整个系统（图3-115）中，应压力损失Δp_C=Δp_Cσ恒定，以及n=1时，得

图3-115 系统中压头恒定时的阀门工作示意图

在给定s值时，对于处在不同位置的阀瓣，代入不同的值，即得出所给定条件的工作特性曲线。

在（当时）的直线的特性曲线时，如果系统压力损失恒定，则可绘出如图3-116所示各种s值的特性曲线。对于的对数内特性曲线，当时，各种s值的特性曲线如图3-117所示。采用类似的方法，还可绘出各种值的特性曲线。

假如阀门是在带有泵的系统中工作，则系统中压力损失经常发生变化。这种情况使得计算更为复杂，因为要考虑泵的特性曲线，所以还必须确定的关系。

图3-116和图3-117所示的内特性曲线表示，假如在阀门中产生的压头与系统总压头相比，阀门占的比例不大，则阀门的工作特性曲线与内特性曲线相比差别很大。

当调节阀处于全开位置时，鉴于阀门的压头占系统总压头的绝大部分（0.8或更高），在阀瓣为直线特性曲线时，则可近似地认为阀瓣的位移使流量成比例变化。如果当调节阀处于全开位置时，阀门的压头低于0.8倍系统总压头，仅阀瓣为直线特性曲线，也不能保持正比关系。

图3-116 在直线内特性曲线时，各种 s值的特性曲线（系统中压力损失为常数）

图3-117 在对数内特性曲线下时，各种s值的特性曲线（系统中压力损失为常数）

从对图3-117所示的对数内特性曲线图分析得知，当s值很小时，具有对数内特性曲线的阀门能保证其工作特性曲线接近于直线；同时，具有直线内特性曲线的阀门，当s值很小时，绘成的工作特性曲线远离直线。

在绝大多数情况下，必须保证调节阀为直线工作特性曲线。在选择阀瓣时，必须考虑s值。当s值大时，为保证阀在直线特性曲线下工作，可采用直线内特性曲线阀瓣；当s值小时（0.4或更小），采用对数内特性曲线阀瓣比较合理。当q_mymin=0.02～0.04时，采用对数内特性曲线，可得到阀在接近直线的工作外特性曲线下工作。当采用一般阀门厂生产的备用阀瓣时，这种方法是可行的。

在设计调节阀阀瓣时，当给定s值，以及系统压力损失的变化情况下，阀瓣的内特性曲线可以调整，以确保得到所需的外特性曲线，如直线、对数曲线等。

由前面推导出的公式，可得

式中，。

对于系统压力损失恒定的情况，当n=1时

在给定s值时，代入不同的值，就得到值。在为直线外特性曲线时，（如果；在为对数特性曲线时，。因此，给定了外特性曲线，就可确定所需要的内特性曲线。

这样，在不同的s值（图3-116）时，为了获得所需要的直线特性曲线，可以近似地取相对于s=1的直线（通过坐标原点与水平成45°的直线）。该直线为平滑的反映工作情况的特性曲线，如图3-116所示。

对于可压缩介质（气体和蒸汽）是否可采用调整特性曲线的方法尚未最后证实。