调节阀的固有特性

一个管路系统的液体流量取决于这个系统的总阻力。由此可知，除非管路系统不变，否则在相同开度下，调节阀也不可能总是保持相同的流量值。作为自动化元件，调节阀的这一特性是不方便的。这将要求每一系统考虑一个专门的调节阀。这个缺陷就导致出现调节阀固有特性的概念，即不管安装调节阀的管路系统情况，而在标准条件下来确定调节阀的固有特性。

如果在式中，令

则式可写成：

式中 K_Q——调节阀的参数。

从式(2)中可获得K_Q的表达式：

引入K_Q的目的是确定调节阀的特性。如果假设△P_r和ρ都等于1，则从式(3)就可以得出K_Q=q_v。在这种情况下，调节阀的流量系数用符号K_v表示，即K_Q≡K。

如上所述，K_v被定义为在介质的密度ρ=1kg/L，介质通过调节阀产生的压力损失△P_r=10⁵ Pa的流量，单位是m³/h。因为水在5～30℃之间的密度为1kg/L，且用以进行试验的水易于获得，定义就限定在这一介质。这是所谈的标准条件。由此可见，K_v值与要安装的调节阀的管路系统无关，而仅与阀门的结构(ζ和开度H(即流通面积A_r)有关。由此可写成函数：

式(4)表达了调节阀的固有特性。

流量系数K_v很容易通过实验精确确定，即在标准条件下，测量通过调节阀的水量来确定。

调节阀的生产厂和用户，按计算的流量系数K_v来选定调节阀。

1．理论固有特性

不同形式的固有特性是通过不同的节流结构来实现的。对于自动调节技术来说，对数(等百分比)和线性特性的调节阀，是能够满足需要的。

调节阀的固有特性见图1。对于线性特性，其表达式为

其中h=H/H100K_v=K_v/K_vs

对于对数特性，其表达式为

其中n=ln(K_vs/K_vo)

从图2中可以看出，在整个工作范围内，线性特性曲线的斜率是常数。对数特性曲线的斜率是变化的，在开始时斜率小，接近全开时斜率大。

为了说明式(5)和式(6)，要定义一些与K_v值有关的特殊值，即

K_vs——在全开度(H₁₀₀)时的公称K_v值；

K_v100——在全开度(H₁₀₀)时，测定的K_v值，即按定义实测的K_vmax；

K_vo——理论特性曲线与K_v/K_vs轴的交点，它代表最小可调理论流量系数；

K_vs/K_vo——理论可调比，它代表可调范围。

三通调节阀的固有特性(图2)必须这样：总流量与流路无关，这在于恰当地选择尺寸和固有特性。

如果有一个阀芯的固有特性是对数的，那么其他的阀芯的固有特性必须是补偿对数的，这样才能互相配合，如图3。只有这样，各种开度下两个K_v值相加才是个常数。

值得注意的是，三通阀的K_vs值和直通阀的K_vs值相当。

蝶形调节阀的固有特性，不是由于阀芯和阀座的特殊性，而是由于结构确定的。因此需要用实验的方法来确定其固有特性。实验发现蝶形调节阀的固有特性近似于一个抛物线，见图4。

一般用下列公式表示蝶形调节阀固有特性。

当φ100=75°时：

当φ100=60°时：

式中φ是蝶阀旋转角度。

关于固有特性的公差，要作以下规定：

1)理论固有特性曲线的变化定义如下：

但在每个试验段上，对于实际固有特性曲线的变化定义为：

在纵座标采用对数，横座标是百分刻度的系统中、对数特性曲线n_log为一直线。在上述条件下，特性曲线的变化经过数学变换。对于线性变成下式：

对于对数特性变成下式：

由这些关系式可知，曲线的变化是由于偏离了K_v的理论值。试验证明：特性曲线的偏离，是由于阀座和阀芯的制造公差，以及阀芯表面形状引起的。在法定的条件下，对不同测定点，在表1中给出了比率H₁₀₀/△H的标准值。对于可调比K_vs/K_vo或K_vo/K_vs，最常用的比值列于表2中。

表1 比率H100/△H的标准值

h(%)	h5	h10	h20	h30	h40	h50	h60	h70	h80	h90	h100
H100/△H	20	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10

表2 最常用的比值

Kvs/Kvo	50/1	40/1	30/1	25/1	20/1
(Kvo/Kvs)*100	2	2.5	3.33	4	5

典型系统调节阀，理论可调比为K_vs/K_vo=30/1。轻系列调节阀的可调比为K_vs/K_vo=50/1。

2)在调节阀的工作范围内，建议采用较大的可调比。但这在制造上受到一系列的限制。因此在正常情况下，制造厂只能给出可调比的下限偏差。作为一个系列，要考虑结构、工艺、经济效益等。在特殊需要时，不论对哪种结构系列，都可以制造具有上限可调比的调节阀。

3)对于一定公称尺寸的调节阀，K_v100值越大，阀引起的能量损失越小。实际上，这个数值不仅各个系列不同，而且在同系列内，同一公称尺寸的各个阀门也不一样。引入下限偏差的目的，是不降低调节阀的水力性能。引入上限偏差的目的，是不影响工作特性。

考虑这些公差和精度，就确定了实际固有特性的最大变化。它可用来确定工作特性的范围。图7示出在试验台上测定的某个调节阀的实际特性曲线。

3．试验确定流量系数K_v值

实际特性曲线是根据不同开度下的K_v值实验数据绘制的。下面讨论流量系数K_v值的工业测定方法。考虑到流量系数K_v的定义及实际情况，为了简化，只对湍流状态下进行测定。

在测定中，当阀门的公称尺寸DNl5～200mm时，对于不同阀门开度规定了如下标准条件：试验介质为水，温度t=5～30℃，密度ρ=lkg/L，运动粘度ν=10^-6m²/s；阀门的压力损失△P_r=0.035～0.1MPa。

按图8的安装简图安装调节阀。在计算中要求考虑L1和L2段的压力损失，即

为保持水的温度，以使水的密度和粘度不变，以消除调节阀的振动和噪声。试验台安装在专用房间内。差压计的安装要求由压差测量值△p_r测量直接给出△p_r。

流量的测量，在大直径的管路中，一般用孔板测量；在小直径的管路中，或开度小时，用体积法或重量法测量。

对于每个开度值测量出△p_r和qν值后，再确定流量系数Kv值。

4．可调比增大的可能性

如前所述。可调比越大越好，这能使系统有一个大的口了诃范围。应采用较小口径的调节阀，以及预留发展余地，以便将来调整装置的生产能力时，不更换调节阀。

定义可调比的关系式指出，当系数K_vs和K_v100增大时，可调比增加：而当系数K_vo和K_vr下降时，可调比也增加。

从这方面研究得出结论：若使K_vs值大，能使理论可调比急剧增大；减小K_vo值，也可使可调比增大：并且可调比与调节阀的型式及内部节流元件紧密联系。

增大可调比的实际方法如下：

1)在当前生产的调节阀系列中，开发可调比接近理论真实值的类型。

2)通过改变调节阀的类型，或者改变调节阀内部阀芯的结构，使理论可调比增大。

上面指出的第一种方法，主要是使流量系数K_v100值增大。

研究结果表明，绝不允许喷嘴收缩口的通道有(毛刺、凹陷、偏心等)缺陷。特别对铸件，要防止收缩口及圆柱区的材料出现缺陷。

另一种使实际可调比接近理论可调比的方法，取决于阀芯结构。它使系数K_vr和K_vo十分接近。从这个意义上讲，要求阀座和阀芯的制造符合设计图样，其圆度和偏心的误差应尽量小。典型的阀芯-阀座的几何要素如图9所示，图中A、B、C、D1、D2尺寸应准确。

当然，为了使实际可调比与理论可调比接近，要求严格执行其他规定，如：阀杆与阀芯连接处无间隙；阀芯和阀芯的导向机构在运动中是同轴的；在阀体和阀盖之间使用薄垫片，以避免由于安装中螺钉拧得不均匀而带来的缺陷等。

第二种使可调比增大的方法是设计高可调比的阀门。这可通过改变典型阀芯的线型和采用新型的阀门来实现。