CN110705109A - 套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，用于解决现有技术中套筒调节阀等百分比节流窗口型线设计难点。包括：获取阀门公称直径DN、额定流量系数C_vmax、可调比R和额定行程L_max，根据设计参数分别确定套筒调节阀i％和(i+1)％开度时的流量系数C_vi和C_v(i+1)；根据套筒调节阀流量系数和进口端面积A₁分别得到其i％和(i+1)％开度时节流窗口的流通面积A_i和A_i+1，进而得到其流通面积变化量ΔA_i；结合几何流通面积变化量和等百分比流量特性函数关系式，确定窗口型线坐标点(x,y)模型；根据节流窗口最小流通面积A₀确定型线最小流量系数C_vmin位置坐标点，并计算窗口型线上其他多个坐标点，将各个坐标点拟合成曲线即可。该方法具有确定型线简单、方便和快捷的特点。

Description

套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法

技术领域

本发明涉及调节阀领域，特别是涉及套筒调节阀等百分比节流窗口型线的确定方法。

背景技术

套筒调节阀作为工业系统中控制流量的关键元件，目前最主流的流量调节特性曲线有等百分比和线两类。由于国内的调节阀技术发展起步较晚，对两类流量特性曲线相应节流窗口型线的设计研究较少，且主要的研究工作是在高校开展，而国内大部分企业依旧引用的是90年代进口国外的技术，规格少，C_v值选择范围窄，已不能适应现代多元化工艺过程，对于特殊C_v的节流窗口型线的设计往往需要花费大量时间依靠经验进行分析设计，且设计精度较低。

发明内容

鉴于以上所述现有技术难点，本发明的目的在于提供套筒调节阀等百分比节流窗口型线的确定方法，用于解决现有技术中套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定困难的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供套筒调节阀等百分比节流窗口型线的确定方法，包括：

获取套筒调节阀的设计参数：阀门公称直径DN、额定流量系数C_vmax、可调比R和额定行程L_max；

确定流量系数：根据阀门公称直径DN得到进口端面积A₁,根据设计参数确定套筒调节阀i％开度时节流窗口的流量系数C_vi和(i+1)％开度时节流窗口的流量系数C_v(i+1)；

确定流通面积：根据套筒调节阀流量系数和进口端面积A₁得到其i％开度时节流窗口的流通面积A_i和(i+1)％开度时节流窗口的流通面积A_i+1；

确定流通面积变化量：根据节流窗口流通面积得到套筒调节阀i％开度到(i+1)％开度时节流窗口的流通面积变化量ΔA_i；

确定窗口型线xy坐标模型：根据节流窗口理论和几何流通面积变化量相等的原理，结合等百分比流量特性的函数关系式，确定窗口型线的xy坐标模型；

确定窗口型线：根据节流窗口最小流通面积A₀，确定窗口型线上最小流量系数C_vmin位置坐标点，并计算窗口型线上其他多个坐标点，将各个坐标点拟合形成曲线即可。

可选的，根据额定行程L_max得到i％开度时的行程L_i,所述流量系数满足如下关系：

可选的，所述理论流通面积满足如下关系：

可选的，在确定理论流通面积步骤中引入修正系数α(α＞0)，用于修正流体在流动过程中的能量损失导致的理论误差。

可选的，所述理论流通面积满足如下关系：

流通面积变化量满足：

可选的，修正系数α的确定方法包括：

选定样本中全开时的理论C_vmax值；

加入修正系数α进行仿真得到全开时仿真C_vmax值；

将理论C_vmax值和仿真C_vmax值对比，仿真C_vmax和理论C_vmax值差值除以理论C_vmax值为相对误差δ；

确定相对误差最大值B，当δ小于B时，加入的修正系数α最终确定。

可选的，修正系数α的确定方法包括：

选定样本中全开时的理论C_vmax值；

加入修正系数α进行仿真得到全开时的仿真C_vmax值；

将全开时理论C_vmax值和全开时仿真C_vmax值对比，全开时仿真C_vmax和全开时理论C_vmax值差值除以全开时理论C_vmax值为相对误差δ；

根据精度要求确定相对误差最大值B，判断δ是否小于B；当δ小于B时，修正系数α初步确定；

计算出若干非全开时的理论C_vi值；

加入初步确定的修正系数α进行仿真得到若干对应的非全开时的理论C_vi值；

将非全开时理论C_vi值和对应非全开时仿真C_vi值单独对比，非全开时仿真C_vi值和非全开时理论C_vi值差值除以非全开时理论C_vi值为相对误差ω，当各个开度的ω均小于B时，修正系数α最终确定。

可选的，修正系数α的确定方法包括：

选定样本中全开时的理论C_vmax值；

加入修正系数α进行仿真得到全开时的仿真C_vmax值；

将全开时理论C_vmax值和全开时仿真C_vmax值对比，全开时仿真C_vmax和全开时理论C_vmax值差值除以全开时理论C_vmax值为相对误差δ；

根据精度要求确定相对误差最大值B，判断δ是否小于B；当δ小于B时，修正系数α初步确定；

计算出20％开度时的理论C_vi值；

加入初步确定的修正系数α进行仿真得到20％开度时的仿真C_vi值；

将20％开度时理论C_vi值和20％开度时仿真C_vi值单独对比，20％开度时仿真C_vi值和20％开度时理论C_vi值差值除以20％开度时理论C_vi值为相对误差β，当β小于B时，修正系数α再次确定；

计算出80％开度时的理论C_vi值；

加入初步确定的修正系数α进行仿真得到80％开度时的仿真C_vi值；

将80％开度时理论C_vi值和80％开度时仿真C_vi值单独对比，80％开度时仿真C_vi值和80％开度时理论C_vi值差值除以80％开度时理论C_vi值为相对误差γ，当γ小于B时，修正系数α最终确定。

可选的，所述相对误差最大值B为10％。

可选的，所述几何流通面积变化量满足如下关系：ΔA_i＝(x_i+x_i+1)(y_i+1-y_i)。

如上所述，本发明的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，至少具有以下有益效果：

本发明实现了对调节阀等百分比流量特性窗口型线的参数化设计，即可根据设计的需求参数实现对型线的确认，相比传统的考靠大量时间进行经验分析来说，本发明具有更高的工作效率，同时本发明可以对不同公称通径、不同可调比、不同额定行程、不同流量系数的调节阀等百分比节流窗口型线进行设计，适用范围广。

附图说明

图1显示为本发明的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法的修正系数确定过程的流程框图。

图2显示为本发明的套筒调节阀的窗口型线的xy轴坐标模型的示意图。

图3显示为本发明的DN80-C_v44套筒调节阀的窗口型线示意图。

图4显示为本发明的DN200-C_v275套筒调节阀的窗口型线示意图。

图5显示为本发明在流量试验前后管道取压口位置示意图。

图6显示为本发明的DN80-C_v44套筒调节阀80％开度横截面流线云图。

图7显示为本发明的DN200-C_v275套筒调节阀80％开度横截面流线云图。

图8显示为本发明的DN80-C_v44套筒调节阀试验和理论流量特性曲线。

图9显示为本发明的DN200-C_v275套筒调节阀试验和理论流量特性曲线。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图9。须知，本说明书所附图的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“前”和“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。

本实施例中，本发明提供套筒调节阀等百分比节流窗口型线的确定方法，包括：

S1，获取套筒调节阀的设计参数：阀门公称直径DN、额定流量系数C_vmax、可调比R和额定行程L_max，根据额定行程L_max得到i％开度时的行程L_i；

S2，确定流量系数：根据阀门公称直径DN得到进口端面积A₁,根据设计参数确定套筒调节阀i％开度时节流窗口的流量系数C_vi和(i+1)％开度时节流窗口的流量系数C_v(i+1)；具体的，所述流量系数满足如下关系：

S3，确定流通面积：确定流通面积：根据套筒调节阀流量系数和进口端面积A₁得到其i％开度时节流窗口的流通面积A_i和(i+1)％开度时节流窗口的流通面积A_i+1；具体的，所述流通面积满足如下关系：

阀门进口面积A₁为已知参数，套筒调节阀i％开度时的流量系数C_vi可以根据S2步骤中求得，α可根据仿真获取，即本步骤中的i％开度时的流通面积A_i得到确定；

S4，确定流通面积变化量：根据节流窗口流通面积得到套筒调节阀i％开度到(i+1)％开度时节流窗口的流通面积变化量ΔA_i；在A_i和A_i+1确定的情况下ΔA_i能够得到确定。；

S5，确定窗口型线xy坐标模型：建立窗口型线的几何模型,根据节流窗口理论和几何流通面积变化量相等的原理，结合等百分比流量特性的函数关系式，确定窗口型线的xy坐标模型；

具体的，建立如图2所示的窗口模型。其中坐标(x_i+1，y_i+1)对应节流面积为A_i+1，坐标(x_i，y_i)对应节流面积为A_i，则ΔA_i＝(x_i+x_i+1)(y_i+1-y_i)；

S6，确定窗口型线：根据节流窗口最小流通面积A₀，确定窗口型线上最小流量系数C_vmin位置坐标点，并计算窗口型线上其他多个坐标点，将各个坐标点拟合形成曲线即可。初始坐标(x₀，y₀)跟据实际窗口进行给定，且L₁＝y₁，则可计算得到x₁，由于ΔA_i能够确定，可以依次类推确定各组型线坐标，将每组坐标用光滑曲线连接便可得到节流窗口的曲面型线。

本发明实现了对调节阀等百分比流量特性窗口型线的参数化设计，即根据设计的需求参数实现对型线的确认，相比传统的考靠大量时间进行经验分析来说，本发明具有更高的工作效率，同时本发明可以对不同公称通径、不同可调比、不同额定行程、不同流量系数的调节阀等百分比节流窗口型线进行设计，适用范围广。

具i％开度时的流通面积A_i的推导过程如下：

根据流体力学，水平安装于管道上的调节阀进口(下标1)至最小节流处(下标i)的伯努利方程如式(1)所示，测压管水头如式(2)所示，连续性方程如式(3)所示。

联立式(1)、(2)和(3)可得：

式中：p₁、v₁、d₁分别为调节阀进口端的介质压力(Pa)、介质流速(m²/s)和直径(m)；p_i、v_i、d_i分别为调节阀最小节流处的介质压力(Pa)、介质流速(m²/s)和当量直径(m)；h为测压管水头(m)；ρ为介质密度(kg/m³)；g为重力加速度(m/s²)；Q为介质流量(m³/s)；A₁为调节阀进口端面积(m²)。

(4)式中，令

各参量单位分别为：A₁，cm²；p₁、p_i及调节阀进口至最小节流处压差Δp＝p₁-p_i，100kgf/cm²；d₁、d_i，cm；ρ，g/cm³；g＝981cm/s²；Q，m³/h。(4)式可简化为(5)式。

则调节阀i％开度时的流量系数K_vi为：

其中，

另外根据GB/T17213的规定，可以将K_vi换算为C_vi；具体换算关系为：

C_vi＝1.156K_vi (8)

联立(6)、(7)和(8)可得调节阀节流窗口理论面积为：

本实施例中，由于上一实施例未考虑流体在流动过程中的能量损失，为精确指导套筒阀窗口型线的设计，在确定流通面积步骤中带入修正系数α(α＞0)，用于修正流体在流动过程中的能量损失导致的理论误差。具体的，所述理论流通面积满足如下关系：

理论流通面积变化量满足：

通过对修正系数的引入，使得本实施例方案确认的窗口型线的设计能够更加精确。

本实施例中，具体的，请参阅图1，修正系数α的确定方法包括：

S31，选定样本中全开时的理论C_vmax值；

S32，加入修正系数α进行仿真得到全开时仿真C_vmax值；具体可以通过Fluent软件进行计算；

S33，将理论C_vmax值和仿真C_vmax值对比，仿真C_vmax和理论C_vmax值差值除以理论C_vmax值为相对误差δ；

S34，确定相对误差最大值B，在图1中，所述相对误差最大值B为10％，当δ小于B时，加入的修正系数α最终确定。

本实施例中，请参阅图1，修正系数α的确定方法包括：

S31，选定样本中全开时的理论C_vmax值；

S32，加入修正系数α进行仿真得到全开时的仿真C_vmax值；具体仿真可以通过Fluent软件；

S33，将全开时理论C_vmax值和全开时仿真C_vmax值对比，全开时仿真C_vmax和全开时理论C_vmax值差值除以全开时理论C_vmax值为相对误差δ；

S34，根据精度要求确定相对误差最大值B，在图1中，所述相对误差最大值B为10％，判断δ是否小于B；当δ小于B时，修正系数α初步确定；

S35，计算出若干非全开时的理论C_vi值；

S36，加入初步确定的修正系数α进行仿真得到若干对应的非全开时的理论C_vi值；

S37，将非全开时理论C_vi值和对应非全开时仿真C_vi值单独对比，非全开时仿真C_vi值和非全开时理论C_vi值差值除以非全开时理论C_vi值为相对误差ω，当各个开度的ω均小于B时，修正系数α最终确定。

本实施例中，请参阅图1，S35-S37具体可以选用20％开度和80％开度时进行理论C_vi值和仿真C_vi值的对比，具体如下：

S351,计算出20％开度时的理论C_vi值；

S361,加入初步确定的修正系数α进行仿真得到20％开度时的仿真理论C_vi值；

S371,将20％开度时理论C_vi值和20％开度时仿真C_vi值单独对比，20％开度时仿真C_vi值和20％开度时理论C_vi值差值除以20％开度时理论C_vi值为相对误差β，当β小于B时，修正系数α再次确定；

S352,计算出80％开度时的理论C_vi值；

S362,加入初步确定的修正系数α进行仿真得到80％开度时的仿真C_vi值；

S372,将80％开度时理论C_vi值和80％开度时仿真C_vi值单独对比，80％开度时仿真C_vi值和80％开度时理论C_vi值差值除以80％开度时理论C_vi值为相对误差γ，当γ小于B时，修正系数α最终确定。

以下以DN80-C_v44和DN200-C_v275两个型号的套筒调节阀为例，可调比为50:1，具体的额定行程L_max和各开度行程L_i见下表2和表3；

根据

并结合已知的参数，求得各开度下理论流量系数如表1所示：

表1 DN80-C_v44和DN200-C_v275套筒调节阀理论流量系数

经过Fluent软件仿真确定最终得到DN80-C_v44和DN200-C_v275套筒调节阀的修正系数α可以取1.48，最后确定DN80-C_v44套筒调节阀的窗口型线如图3所示,DN200-C_v275套筒调节阀的窗口型线如图4所示。另外，对本单位不同口径套筒调节阀的小流量系数C_v，计算所得修正系数α具有通用性，且对本单位不同口径套筒调节阀的大流量系数C_v，α取值为1.55。

套筒调节阀等百分比节流窗口确定方法具体的仿真验证和试验验证如下：

以DN80-C_v44和DN200-C_v275套筒调节阀20％开度、80％和100％三维模型为研究对象，根据GB/T 17213工业过程控制阀第2-3部分：流通能力试验程序，阀前取压口位置为2倍管道公称通径,阀后取压口位置为6倍管道公称通径(示意图见图5)，进行流场仿真分析。介质为常温水；入口为总压，取200kPa；出口为静压，取100kPa；采用标准k-ε湍流模型；连续性方程、动量方程以及湍流方程的最大残差值均小于1×10^-3。两台调节阀80％开度流线云图分别如图6、7所示。

根据GB/T 17213工业过程控制阀第2-3部分：流通能力试验程序,计算流量系数，具体见公式(15)

式中：Q为被测体积流量，单位为m³/h；Δp为阀门上下游取压口的压力差，单位为kPa；ρ₁为流体的密度，单位为kg/m³；ρ₀为15.5℃时的水密度为999kg/m³；N₁为数字常数，C为K_v则N₁取0.1，C为C_v则N₁取0.0865，此次流量试验C为C_v。

DN80-C_v44和DN200-C_v275套筒调节阀20％、80％和100％开度仿真流量系数计算结果及与理论值相对误差如表2所示。

表2 DN80-C_v44和DN200-C_v275套筒调节阀仿真流量系数及与理论误差

根据以上所设计的DN80-C_v44和DN200-C_v275套筒调节阀窗口型线对节流套筒进行加工。

根据GB/T 17213工业过程控制阀第2-3部分：流通能力试验程序，进行两台阀门流量试验，两台阀门流量试验数据通过流量系数的计算公式进行流量系数计算，调节阀从5％到100％开度，试验流量系数计算结果及与理论值相对误差如表3所示。

表3 DN80-C_v44和DN200-C_v275套筒调节阀试验流量系数及与理论误差

对比表1和表3可知，对DN80-C_v44和DN200-C_v275调节阀，阀门开度在5％-10％时，试验和理论C_v误差均较大；阀门开度在20％-100％时，试验和理论C_v误差均在10％以内。另外，两台阀开度从10％增加到20％时，试验和理论C_v误差逐渐减小到10％以内，即随阀门开度增大，阀塞和下套筒之间的缝隙流对整体流量的影响逐渐降低。

由图8和图9可知：对可调比为50:1的DN80-C_v44和DN200-C_v275调节阀，试验流量特性曲线和理论流量特性曲线完全吻合，证明了基于理论设计的正确性。

综上所述，本发明根据设计的需求参数实现对型线的确认，极大的提高了设计精度，相比传统的依靠大量时间进行经验分析来说，本发明具有更高的工作效率，同时本发明可以对不同公称通径、不同可调比、不同额定行程、不同流量系数的调节阀等百分比节流窗口型线进行设计，适用范围广。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.套筒调节阀等百分比节流窗口型线的确定方法，其特征在于，包括：

获取套筒调节阀的设计参数：阀门公称直径DN、额定流量系数C_vmax、可调比R和额定行程L_max；

确定流量系数：根据设计参数确定套筒调节阀i％开度时节流窗口的流量系数C_vi和(i+1)％开度时节流窗口的流量系数C_v(i+1)；

确定流通面积：根据阀门公称直径DN得到进口端面积A₁,根据套筒调节阀流量系数和进口端面积A₁得到其i％开度时节流窗口的流通面积A_i和(i+1)％开度时节流窗口的流通面积A_i+1；

确定流通面积变化量：根据节流窗口流通面积得到套筒调节阀i％开度到(i+1)％开度时节流窗口的流通面积变化量ΔA_i；

确定窗口型线xy坐标模型：根据节流窗口理论和几何流通面积变化量相等的原理，结合等百分比流量特性的函数关系式，确定窗口型线的xy坐标模型；

确定窗口型线：根据节流窗口最小流通面积A₀，确定窗口型线上最小流量系数C_vmin位置坐标点，并计算窗口型线上其他多个坐标点，将各个坐标点拟合形成曲线即可。

2.根据权利要求1所述的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，其特征在于：根据额定行程L_max得到i％开度时的行程L_i，所述流量系数满足如下关系：

3.根据权利要求1所述的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，其特征在于：所述理论流通面积满足如下关系：

4.根据权利要求1所述的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，其特征在于：在确定理论流通面积步骤中引入修正系数α(α＞0)，用于修正流体在流动过程中的能量损失导致的理论误差。

5.根据权利要求4所述的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，其特征在于：所述理论流通面积满足如下关系：

理论流通面积变化量满足：

6.根据权利要求4所述的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，其特征在于：修正系数α的确定方法包括：

选定样本中全开时的理论C_vmax值；

加入修正系数α进行仿真得到全开时仿真C_vmax值；

将理论C_vmax值和仿真C_vmax值对比，仿真C_vmax和理论C_vmax值差值除以理论C_vmax值为相对误差δ；

确定相对误差最大值B，当δ小于B时，加入的修正系数α最终确定。

7.根据权利要求6所述的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，其特征在于：修正系数α的确定方法包括：

选定样本中全开时的理论C_vmax值；

加入修正系数α进行仿真得到全开时的仿真C_vmax值；

将全开时理论C_vmax值和全开时仿真C_vmax值对比，全开时仿真C_vmax和全开时理论C_vmax值差值除以全开时理论C_vmax值为相对误差δ；

根据精度要求确定相对误差最大值B，判断δ是否小于B；当δ小于B时，修正系数α初步确定；

计算出若干非全开时的理论C_vi值；

加入初步确定的修正系数α进行仿真得到若干对应的非全开时的理论C_vi值；

将非全开时理论C_vi值和对应非全开时仿真C_vi值单独对比，非全开时仿真C_vi值和非全开时理论C_vi值差值除以非全开时理论C_vi值为相对误差ω，当各个开度的ω均小于B时，修正系数α最终确定。

8.根据权利要求7所述的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，其特征在于：修正系数α的确定方法包括：

选定样本中全开时的理论C_vmax值；

加入修正系数α进行仿真得到全开时的仿真C_vmax值；

将全开时理论C_vmax值和全开时仿真C_vmax值对比，全开时仿真C_vmax和全开时理论C_vmax值差值除以全开时理论C_vmax值为相对误差δ；

根据精度要求确定相对误差最大值B，判断δ是否小于B；当δ小于B时，修正系数α初步确定；

计算出20％开度时的理论C_vi值；

加入初步确定的修正系数α进行仿真得到20％开度时的仿真C_vi值；

将20％开度时理论C_vi值和20％开度时仿真C_vi值单独对比，20％开度时仿真C_vi值和20％开度时理论C_vi值差值除以20％开度时理论C_vi值为相对误差β，当β小于B时，修正系数α再次确定；

计算出80％开度时的理论C_vi值；

加入初步确定的修正系数α进行仿真得到80％开度时的仿真C_vi值；

将80％开度时理论C_vi值和80％开度时仿真C_vi值单独对比，80％开度时仿真C_vi值和80％开度时理论C_vi值差值除以80％开度时理论C_vi值为相对误差γ，当γ小于B时，修正系数α最终确定。

9.根据权利要求6-8任一所述的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，其特征在于：所述相对误差最大值B为10％。

10.根据权利要求1所述的套筒调节阀等百分比节流窗口型线确定方法，其特征在于：所述几何流通面积变化量满足如下关系：ΔA_i＝(x_i+x_i+1)(y_i+1-y_i)。

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