通過理論分析V形球閥的流量與閥座處流通面積的關(guān)系，導(dǎo)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優(yōu)化閥芯V形切口和球冠半徑，使V形球閥的設(shè)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(shù)誤差，并給出了一個優(yōu)化設(shè)計實例。

　　在工業(yè)過程自動控制中，由于V形球閥調(diào)節(jié)比大，調(diào)節(jié)元件可切斷流體中的纖維、粘性懸浮雜質(zhì)，而被廣泛應(yīng)用于造紙、紡織等行業(yè)的物料控制和調(diào)節(jié)。目前，我國V形球閥調(diào)節(jié)球閥的調(diào)節(jié)特性和國外同來產(chǎn)品比較缺點在于調(diào)節(jié)范圍較窄、調(diào)節(jié)特性和實際工藝流程的調(diào)節(jié)特性存在較大誤差，主要原因是不同開度下的流通面積滿足不了實際流通量。

　　筆者通過理論分析V形球閥不同開度下的流量與閥座處流通面積的關(guān)系，優(yōu)化閥芯球結(jié)構(gòu)，使V形球閥的設(shè)計流量特性與等百分比流量特性趨于一致，減小調(diào)節(jié)誤差，增強V形球閥的可調(diào)性和靈敏度。

1、流通面積結(jié)構(gòu)

　　筆者分析的V形調(diào)節(jié)球閥，其主要參數(shù)為：壓差Δp=100kPa，可調(diào)比R=50，介質(zhì)為水，結(jié)構(gòu)如圖1所示。V形球閥的閥芯是球冠，球冠底圓的邊緣上開有一個V形切口(圖2)。圖2中的V形切口由一個圓角為r的圓弧和與圓弧相切的有一定角度的兩端切線構(gòu)成，t為球冠投影中心至V形切口頂點距離，V形切口的角度一般取60°。V形球閥是通過改變閥芯、閥芯的V形切缺口與閥體的流道構(gòu)成的流通面積來調(diào)節(jié)設(shè)備和管道的介質(zhì)流量，其不同開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(gòu)成。

圖1 V形球閥的結(jié)構(gòu)

圖2 V形切口形狀

　　按照規(guī)定，控制閥的相對流量系數(shù)與等百分比相對流量系數(shù)的誤差必須小于10%。通過測試該閥的流量特性，測試結(jié)果見表1。

表1 原結(jié)構(gòu)測試相對流量系數(shù)與等百分比相對流量系數(shù)對比 %

　　由表1可以看出，其在不同開度下的相對流量系數(shù)均大于等百分比的相對流量系數(shù);在相對開度10%～50%時，相對流量系數(shù)誤差均大于10%，最大誤差達31.2%，因此，必須優(yōu)化閥芯結(jié)構(gòu)，確定流通面積與流量系數(shù)關(guān)系，減小調(diào)節(jié)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(shù)學(xué)表達式為：

(1)

　　式中 Kv———對應(yīng)θv的流量系數(shù);

　　Kmax——對應(yīng)θmax的系數(shù);

　　Qi———對應(yīng)θv的流量，m3/h

　　Qmax——對應(yīng)θmax的流量，m3/h;

　　R———可調(diào)比，R=Qmax/Qmin;

　　θv———調(diào)節(jié)閥的開度，(°);

　　θmax———調(diào)節(jié)閥的最大開度，(°)。

3、流通面積確定、計算和閥芯的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1、流通面積的確定

　　V形球閥的節(jié)流原理近似于孔板節(jié)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(diào)節(jié)閥相對開度下的流通面積，cm2;

　　Δp———調(diào)節(jié)閥的壓差，Δp=100kPa;

　　Q———流體體積流量，m3/h;

　　ξ———阻力系數(shù)， 　　，A為流道座面積，cm2;

　　ρ———流體密度，g/cm3。

　　令 　　，則球閥的不同開度下流通面積為： (3)

　　由等百分比流量特性得到的球閥流通面積Ar為依據(jù)，確定閥芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)，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，弦長為L，弦高為H。以球冠中心O點為坐標(biāo)原點，流道中心線為OZ軸，OY軸垂直于流道中心線，OX軸垂直于YOZ平面建立直角坐標(biāo)系。以O(shè)X軸為轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)閥芯，球冠上的a點旋轉(zhuǎn)θ角后到達a'點，V形切口進入閥體流道，則球閥的流通面積由閥體流道、V形切口和球冠圓弧構(gòu)成。

圖3 閥芯轉(zhuǎn)動模型

　　將旋轉(zhuǎn)后的球冠與閥體流道投影到XOY平面，如圖4所示，得到球閥不同開度下的流通面積。圖4中，閥芯旋轉(zhuǎn)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流通面積，a、b兩點分別為閥芯邊緣和閥體流道邊緣的交點。計算4種陰影部分面積，可求得不同開度下閥門的流通面積。

圖4 球閥不同開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(gòu)成流通面積計算

　　當(dāng) 　　時，V形切口進入閥體流道，流通面積由閥體流道和V形切口構(gòu)成(圖4a)。當(dāng) 　　時，部分V形切口進入閥體流道，如圖4a所示，流通面積為： (5) 　　，ρ2= 　　當(dāng) 　　時，V形切口完全進入閥體流道，如圖4b所示，流通面積為：

3.2.2、球冠的圓弧面與閥體流道構(gòu)成流通面積計算

　　當(dāng) 　　時，流通面積由閥體流道、V形切口和球冠的圓弧面構(gòu)成(圖4c)，此時球冠圓弧面尚未越過閥體流道中心線。交點a、b的橫坐標(biāo)分別為： (7) (8)

　　因此，流通面積為：

　　當(dāng) 時，流通面積由閥體流道、V形切口和球冠的圓弧面構(gòu)成(圖4d)，此時球冠圓弧面尚未越過閥體流道中心線。交點a、b的橫坐標(biāo)與式(7)、(8)相同，流通面積為： (10)

3.3、閥芯結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

　　令A(yù)r分別等于Ar1、Ar2、Ar3、Ar4，通過計算機編程運算，得到不同開度下的閥芯球冠的V形開口圓角ri、球冠半徑Ri。再經(jīng)過程序優(yōu)化分析，確定V形開口圓角r、球冠半徑R，使球閥設(shè)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(diào)節(jié)球閥按規(guī)定的試驗程序進行流量特性測試，結(jié)果見表2。

　　表2 等百分比相對流量系數(shù)與試驗相對流量系數(shù)對比 %

　　從表2中看出，在小開度下(0～40%)，等百分比流量特性計算的相對流量系數(shù)大于試驗相對流量系數(shù)，最大誤差為9.6%;在大開度下(50%～100%)，等百分比流量特性計算的相對流量系數(shù)小于試驗相對流量系數(shù)，最大誤差為8.5%。誤差均小于10%。

5、結(jié)束語

　　筆者通過優(yōu)化V形調(diào)節(jié)球閥的結(jié)構(gòu)，使其流量特性趨近于等百分比流量特性。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的試驗相對流量系數(shù)測試數(shù)據(jù)與等百分比的相對流量系數(shù)比較，其相對流量系數(shù)的最大誤差小于10%，符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，調(diào)節(jié)特性明顯優(yōu)于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)。所推導(dǎo)出的等百分比流量特性的V形球閥在不同開度下的流通面積計算公式，也為工程設(shè)計提供了一種計算方法。