调节阀流通面积的设计
文 / 李艳荣、马兴平 天津精通控制仪表技术有限公司
调节阀是过程控制系统中由动力操纵，调节流体流量的装置，调节阀按照控制系统发出的信号改变阀内截流元件的位置，进而进行介质的流量、温度、液位和压力调节，以满足系统的需要。对于调节阀来说，流量特性是用户最为关注的技术指标之一，而流量特性又是通过调节阀流通面积来保证的，因此合理设计调节阀流通面积也是调节阀产品整体设计中的关键。
流量特性常用的有直线、等百分比两种特性，根据GB/T 17213中规定，理想直线流量特性是指相对行程的等值增量产生相对流量系数的等值增量的流量特性；理想等百分比流量特性是指相对行程的等值增量产生相对流量系数的等百分比增加的流量特性。
我们常见的控制阀固有可调比有30、50两种，而由于可调比为50的调节阀可调节范围宽，因此近些年设计的调节阀可调比大都为50。
当可调比R=50时，直线、等百分比的流量特性在相对行程10%～100%时各流量值见表一
表一
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可调比 R |
相对行程% |
||||||||||
|
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
||
|
50 |
直线 |
11.8 |
21.6 |
31.4 |
41.2 |
51 |
60.8 |
70.6 |
80.4 |
90.2 |
100 |
|
等百分比 |
2.96 |
4.37 |
6.47 |
9.56 |
14.1 |
20.9 |
30.9 |
45.7 |
67.6 |
100 |
|
调节阀在各个行程的流量值都符合理论流量值，以及斜率偏差均符合±30%的要求对于设计者来说是相当困难的，因此在GB/T4213-2008《气动调节阀》中国家标准也对流量特性考核要求进行了调整。即：在GB/T4213-2008《气动调节阀》标准5.11.1条规定，直线流量特性的斜率偏差，在相对行程h=0.1～0.9之间,任意两相邻流量系数测量值的差值与实测额定流量系数的比值应符合表二的规定；
表二
GB/T4213-2008《气动调节阀》标准5.11.2条规定R为50的等百分比流量特性的斜率偏差：在相对行程h=0.1～0.9之间，任意相邻流量系数测量值的十进对数（lg）差值应符合表三规定。
表三
调节阀流量特性是通过合理设计调节阀流通面积来保证的，为了设计调节阀流量特性，设计人员必须做到一个具体的流量对应一个具体的行程，要完成这个要求，就需要知道调节阀的流通面积。单座阀流通面积是指单座调节阀在各个行程范围内阀芯曲线与阀座环形成的最小流通截面积，（不是水平环形面积，而是斜截锥体的面积，在该行程下垂直于阀芯曲线）如图1所示；
图1单座阀
对于单座阀来说，流通面积是通过阀座内径和各个行程对应的阀芯曲线尺寸精确计算的，现以GZ型单座阀DN50口径等百分比特性在全开位置为例，简单介绍一下计算方法。
由作图法得知，DN50口径等百分比特性在全开位置的具体尺寸，
D0 = 50.8mm d1 = 43.83mm L = 12.27 mm
由图1可以看出阀芯曲线与阀座环形成的最小流通截面积为一个截圆锥型的表面积，因此计算出截圆锥表面积的数值即为单座阀流通面积A
A=π×L×（D0+ d1）/ 2 =π×12.27×（50.8+ 43.83）/ 2 = 1823mm2=18.23cm2
笼式阀流通面积是指笼式调节阀在各个行程范围内阀笼开口与阀芯之间形成的曲面面积，对于笼式阀来说窗口曲线相对比较复杂，（对于等百分比特性来说，一般都设计成几个大、小窗口均匀排列的形式如图2）。设计完成后，我们是通过SOLIDWORKS立体软件进行精确测量的，具体测量方法如图3，图4所示。
图2笼式阀
图3 1个长窗口流量面积
图4 1个短窗口流量面积
下面以我们单位设计的GZ系列单座阀、GT系列笼式阀的DN50口径等百分比、直线特性在10%到100%行程范围内的流通面积计算数据为例，分析一下流通面积的设计方法及与Kv值之间的关系。具体数值见表四、表五。
表四 DN50/ GZ型单座阀
表四-1 等百分比特性
表四-2 直线特性
表五 DN50/GT型笼式阀
表五-1 等百分比特性
表五-2 直线特性
用同样的方法我们也对G系列其它规格的产品进行分析，结果基本相同。由以上分析可以看出无论是单座阀或笼式阀，直线特性或等百分比特性，各个行程的实际流通面积之间和对应的Kv值之间基本都符合GB/T4213-2008《气动调节阀》标准5.11.1/5.11.2条规定。主要是因为流量特性是通过调节阀流通面积来保证的，只有采用这种设计方法才能基本保证调节阀流量特性符合要求。
而且由上表可以看出理论流通面积的数值和实测流通面积的数值有些差异，我们分析认为主要原因是：
1.在流通面积基本设计完成后，对单座阀来说即要求流量特性又要求 阀芯曲线平滑过度，对笼式阀来说要求流量特性及阀笼曲线平滑过度的情况下，还要求在保证在流通面积最大的情况下，阀笼没有任何变形的可能性,因此还需要对初始设计的单座阀芯或笼式阀窗口曲线进行适当修正；
2.由于不同种类的阀体、阀内件流路损失不同，调节阀在各个行程中的压力损失也不同，所以采用以上方法进行初步设计后，还需要在流量试验装置上进行流量特性的实际试验。根据试验结果再对阀芯曲线或阀笼窗口曲线进行修正，才能完全达到GB/T4213-2008《气动调节阀》5.11条固有流量特性的标准要求。
最后我们总结一下阀芯曲线或阀笼曲线的设计方法：第一步从理论上确定每个行程范围的流通面积数值，并做出阀芯曲线或阀笼窗口对应的曲线形状；第二步对所做出的曲线进行修正尺寸，保证各个尺寸平滑连接，用修正后的尺寸重新计算流通面积，并保证各行程流通面积数值基本符合GB/T4213-2008《气动调节阀》标准5.11.1/5.11.2条规定；第三步对所设计的阀芯或阀笼装成整机做流量试验进行验证，利用这些流量试验数据把阀芯曲线或阀笼窗口曲线重新进行修正，使流量特性完全符合GB/T4213-2008《气动调节阀》标准5.11.1/5.11.2条规定。我们希望通过对此种设计方法的介绍，能对很多控制阀生产厂家在设计单座阀阀芯曲线和笼式阀阀笼窗口曲线上有所借鉴。
生产制造企业在产品设计过程中，要充分利用当相对行程h<0.2,斜率偏差
和h>0.8斜率偏差
的标准要求，不必苛求各点流量特性全部符合±30%的要求。
