V形調節球閥閥芯結構與等百分比流量特性分析
通過(guò)理論分析V形球閥的流量與閥座處流通面積的關(guān)系，導出了流通面積、閥芯V形切口和球冠半徑的近似計算式。利用等百分比流量特性?xún)?yōu)化閥芯V形切口和球冠半徑，使V形球閥的設計流量特性與等百分比流量特性趨于一致，減小了流量系數誤差，并給出了一個(gè)優(yōu)化設計實(shí)例。
在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制中，由于V形球閥調節比大，調節元件可切斷流體中的纖維、粘性懸浮雜質(zhì)，而被廣泛應用于造紙、紡織等行業(yè)的物料控制和調節。目前，我國V形球閥調節球閥的調節特性和國外同來(lái)產(chǎn)品比較缺點(diǎn)在于調節范圍較窄、調節特性和實(shí)際工藝流程的調節特性存在較大誤差，主要原因是不同開(kāi)度下的流通面積滿(mǎn)足不了實(shí)際流通量。
筆者通過(guò)理論分析V形球閥不同開(kāi)度下的流量與閥座處流通面積的關(guān)系，優(yōu)化閥芯球結構，使V形球閥的設計流量特性與等百分比流量特性趨于一致，減小調節誤差，增強V形球閥的可調性和靈敏度。
1、流通面積結構
筆者分析的V形調節球閥，其主要參數為：壓差Δp=100kPa，可調比R=50，介質(zhì)為水，結構如圖1所示。V形球閥的閥芯是球冠，球冠底圓的邊緣上開(kāi)有一個(gè)V形切口(圖2)。圖2中的V形切口由一個(gè)圓角為r的圓弧和與圓弧相切的有一定角度的兩端切線(xiàn)構成，t為球冠投影中心至V形切口頂點(diǎn)距離，V形切口的角度一般取60°。V形球閥是通過(guò)改變閥芯、閥芯的V形切缺口與閥體的流道構成的流通面積來(lái)調節設備和管道的介質(zhì)流量，其不同開(kāi)度下的流通面積由閥體通道、V形切口和球體球冠的組合面積構成。
圖1 V形球閥的結構
圖2 V形切口形狀
按照規定，控制閥的相對流量系數與等百分比相對流量系數的誤差必須小于10%。通過(guò)測試該閥的流量特性，測試結果見(jiàn)表1。
表1 原結構測試相對流量系數與等百分比相對流量系數對比 %
由表1可以看出，其在不同開(kāi)度下的相對流量系數均大于等百分比的相對流量系數;在相對開(kāi)度10%～50%時(shí)，相對流量系數誤差均大于10%，最大誤差達31.2%，因此，必須優(yōu)化閥芯結構，確定流通面積與流量系數關(guān)系，減小調節誤差。
2、流量特性計算分析
V形球閥的流量特性近似于等百分比流量特性，其數學(xué)表達式為：
(1) 式中 Kv———對應θv的流量系數;
Kmax——對應θmax的系數;
Qi———對應θv的流量，m3/h
Qmax——對應θmax的流量，m3/h;
R———可調比，R=Qmax/Qmin;
θv———調節閥的開(kāi)度，(°);
θmax———調節閥的最大開(kāi)度，(°)。
3、流通面積確定、計算和閥芯的結構優(yōu)化
3.1、流通面積的確定
V形球閥的節流原理近似于孔板節流原理，按照伯努力方程，得到V形球閥不可壓縮流體的流量公式，即：
(2) 式中 Ar———調節閥相對開(kāi)度下的流通面積，cm2;
Δp———調節閥的壓差，Δp=100kPa;
Q———流體體積流量，m3/h;
ξ———阻力系數，
ρ———流體密度，g/cm3。
令
(3) 由等百分比流量特性得到的球閥流通面積Ar為依據，確定閥芯的結構參數，則球閥的流量特性能夠符合等百分比流量特性。
3.2、流通面積的計算
閥芯不同開(kāi)度的模型如圖3所示，V形球閥流道通徑為D;閥芯球冠半徑為R，弦長(cháng)為L(cháng)，弦高為H。以球冠中心O點(diǎn)為坐標原點(diǎn)，流道中心線(xiàn)為OZ軸，OY軸垂直于流道中心線(xiàn)，OX軸垂直于YOZ平面建立直角坐標系。以OX軸為轉動(dòng)軸旋轉閥芯，球冠上的a點(diǎn)旋轉θ角后到達a'點(diǎn)，V形切口進(jìn)入閥體流道，則球閥的流通面積由閥體流道、V形切口和球冠圓弧構成。
圖3 閥芯轉動(dòng)模型
將旋轉后的球冠與閥體流道投影到XOY平面，如圖4所示，得到球閥不同開(kāi)度下的流通面積。圖4中，閥芯旋轉不同的θ角后，分別得到4種由球冠圓弧1、V形切口2和閥體通道3的組合面積(圖4a～d)，其中陰影部分為閥門(mén)流通面積，a、b兩點(diǎn)分別為閥芯邊緣和閥體流道邊緣的交點(diǎn)。計算4種陰影部分面積，可求得不同開(kāi)度下閥門(mén)的流通面積。
圖4 球閥不同開(kāi)度下的流通面積示意圖
1———球冠;2———V形切口;3———閥體通道
3.2.1、V形切口與閥體流道構成流通面積計算
當
(5) 
3.2.2、球冠的圓弧面與閥體流道構成流通面積計算
當
(7) 
(8) 因此，流通面積為：
時(shí)，流通面積由閥體流道、V形切口和球冠的圓弧面構成(圖4d)，此時(shí)球冠圓弧面尚未越過(guò)閥體流道中心線(xiàn)。交點(diǎn)a、b的橫坐標與式(7)、(8)相同，流通面積為： 
(10) 3.3、閥芯結構尺寸優(yōu)化
令Ar分別等于A(yíng)r1、Ar2、Ar3、Ar4，通過(guò)計算機編程運算，得到不同開(kāi)度下的閥芯球冠的V形開(kāi)口圓角ri、球冠半徑Ri。再經(jīng)過(guò)程序優(yōu)化分析，確定V形開(kāi)口圓角r、球冠半徑R，使球閥設計流量特性趨近于等百分比流量特性。
4、試驗分析
對優(yōu)化后的V形調節球閥按規定的試驗程序進(jìn)行流量特性測試，結果見(jiàn)表2。
表2 等百分比相對流量系數與試驗相對流量系數對比 %
從表2中看出，在小開(kāi)度下(0～40%)，等百分比流量特性計算的相對流量系數大于試驗相對流量系數，最大誤差為9.6%;在大開(kāi)度下(50%～100%)，等百分比流量特性計算的相對流量系數小于試驗相對流量系數，最大誤差為8.5%。誤差均小于10%。
5、結束語(yǔ)
筆者通過(guò)優(yōu)化V形調節球閥的結構，使其流量特性趨近于等百分比流量特性。結構優(yōu)化后的試驗相對流量系數測試數據與等百分比的相對流量系數比較，其相對流量系數的最大誤差小于10%，符合標準的規定，調節特性明顯優(yōu)于優(yōu)化前的結構。所推導出的等百分比流量特性的V形球閥在不同開(kāi)度下的流通面積計算公式，也為工程設計提供了一種計算方法。
