CN114528660A - 调节阀阀芯曲面的获取方法及调节阀节流组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调节阀阀芯曲面的获取方法及调节阀节流组件，属于调节设备领域。方法包括如下步骤：根据调节阀几何结构，获取调节阀的阀芯曲面在预设开度下关于理论流量系数的模型；根据预设开度下阀芯与阀座之间的空间关系及所述模型，获得预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据；调整预设开度，获取各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据，并根据各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据，获得调节阀阀芯曲面。调节阀节流组件，包括阀芯，该阀芯的节流曲面采用上述调节阀阀芯曲面的获取方法获取。本发明采用理论设计和仿真修正的手段获得阀芯曲面模型，相较于传统设计方法，可以提高其设计效率，减少其设计误差，使调节阀获得更高的调节精度。

Description

调节阀阀芯曲面的获取方法及调节阀节流组件

技术领域

本发明涉及调节设备领域，特别是涉及一种调节阀阀芯曲面的获取方法及调节阀节流组件。

背景技术

单座调节阀为工业系统中控制流量的关键元件，其主流的调节特性有线性和等百分比两种类型。目前，阀芯曲面在设计时，一般通过面积比等于流量系数比的原则进行设计，但实际两者并非简单和单纯的线性关系，会产生较大误差。此外部分设计者也会在面积比等于流量系数比的设计基础上通过仿真试凑，依靠经验进行再分析设计提高设计精度，但是往往需要花费大量时间，而且设计精度也不尽如人意。因此目前调节阀阀芯设计主要问题是按比例法设计调节精度太差，按照试凑法设计花费时间太长。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种调节阀阀芯曲面的获取方法及调节阀节流组件，用于解决现有技术中阀芯曲面设计误差大和设计周期长的难点，以及调节阀调节精度差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种调节阀阀芯曲面的获取方法，包括如下步骤：

根据调节阀的几何结构，获取调节阀的阀芯曲面在预设开度下关于理论流量系数的模型；

根据预设开度下阀芯与阀座之间的空间关系及所述模型，获得预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据；

调整预设开度，获取各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据，并根据各个预设开度下阀芯的设计坐标数据，获得调节阀阀芯曲面。

可选地，根据所述预设开度，获得理论流量系数，

调节阀的阀芯曲面在预设开度下关于理论流量系数的模型包括修正系数，

预设所述修正系数，根据所述预设的修正系数及所述预设开度，获得预设开度下调节阀的流道模型并进行仿真分析，获得仿真流量系数；

比较仿真流量系数和理论流量系数，若仿真流量系数与理论流量系数之间误差小于预设误差，则预设修正系数为所述预设开度下的修正系数，反之，则修改预设修正系数，并重新比较仿真流量系数与理论流量系数，直至仿真流量系数与理论流量系数之间误差小于预设误差。

可选地，对各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据进行拟合，获得阀芯曲面。

可选地，阀芯曲面在预设开度下关于理论流量系数的模型表达为：

其中，i为调节阀的开度，D_c为阀座直径，A₁为调节阀入口处的总流通面积，x_i为调节阀在i开度下阀芯曲面上最小节流处与阀芯轴线之间的最小距离，y_i为调节阀在i开度下阀芯曲面上最小节流处与阀座密封面的最小距离，C_vi为在调节阀在i开度下的理论流量系数。

可选地，所述调节阀的调节特性包括线性类型和等百分比类型。

可选地，所述线性类型的调节阀流量特性表达为：

等百分比类型的调节阀流量特性表达为：

C_vmax为调节阀理论额定流量系数；R为调节阀可调比；L_i为调节阀在i开度时的行程；L_max为调节阀的额定行程，C_vi为调节阀在i开度下的理论流量系数。

可选地，预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据满足：

其中，i为调节阀的开度，D_c为阀座直径，L_max为调节阀的额定行程，θ为调节阀在i开度下，阀芯和阀座的最小节流面的圆锥侧表面母线与阀座密封平面之间的夹角，x′_i为调节阀在i开度下阀芯曲面的设计横坐标，等于调节阀在i开度下阀芯曲面上最小节流处与阀芯轴线之间的最小距离x_i，y′_i为调节阀在i开度下阀芯曲面的设计纵坐标。

可选地，所述调节阀的调节特性包括线性类型和等百分类型，对于线性类型的调节阀，所述预设误差≤10％，对于等百分类型的调节阀，所述预设误差为≤5％。

可选地，以通过阀芯轴线的平面为基准面，根据所述基准面上各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据，拟合得到轮廓曲线，所述轮廓曲线绕阀芯的轴线转动的扫略轨迹为阀芯曲面。

本发明还提供一种调节阀节流组件，包括阀芯，所述阀芯的节流曲面采用如上任一项所述的调节阀阀芯曲面的获取方法获取。

如上所述，本发明的一种调节阀阀芯曲面的获取方法及调节阀节流组件，具有以下有益效果：因采用理论设计和仿真修正的手段获得阀芯曲面模型，相较于传统设计方法，可以提高其设计效率，减少其设计误差，使调节阀获得更高的调节精度。

附图说明

图1显示为本发明实施例中调节阀的节流模型及阀芯曲面设计坐标系示意图；

图2显示为本发明实施例中调节阀最小节流处的局部示意图；

图3显示为本发明实施例中修正系数的确定方法流程图；

图4显示为本发明实施例中线性阀芯曲面；

图5显示为本发明实施例中等百分比阀芯曲面；

图6显示为本发明实施例中线性阀芯曲面对应阀门内流场横截面的涡核压力云图；

图7显示为本发明实施例中线性阀芯曲面对应阀门内流场横截面的流线云图；

图8显示为本发明实施例中等百分比阀芯曲面对应阀门内流场横截面的涡核压力云图；

图9显示为本发明实施例中等百分比阀芯曲面对应阀门内流场横截面的流线云图；

图10显示为本发明实施例中线性阀芯曲面对应的理论和仿真的流量特性曲线；

图11显示为本发明实施例中等百分比阀芯曲面对应的理论和仿真的流量特性曲线。

附图标记说明：阀芯1、阀座2。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、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得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”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。

如图1所示，调节阀节流组件包括阀座2和阀芯1，阀芯1的阀芯曲面与阀座2配合。阀芯1沿其轴线方向运动，实现调节阀开度大小的控制。本实施例提供一种调节阀阀芯曲面的获取方法，包括如下步骤：

S1、根据调节阀的几何结构，获取调节阀的阀芯曲面在预设开度下关于理论流量系数的模型；

S2、根据预设开度下阀芯与阀座之间的空间关系及所述模型，获得预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据；

S3、调整预设开度，获取各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据，并根据各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据，获得调节阀阀芯曲面。

具体的，S1步骤中，调节阀的调节特性包括线性类型和等百分比类型。

基于流体力学理论，可得调节阀在开度i时的流量系数C_vi表达为：

其中：

ε_i为调节阀i开度时的流阻系数；d₁为调节阀的入口直径，d_i为调节阀i开度时最小节流处的当量直径，单位为cm；A₁为调节阀入口流通面积，A_i为调节阀i开度时最小节流处的流通面积，单位为cm²。

综合以上公式可得：

考虑到能量损失及阀门形状的差异等因素，上式中加入修正系数α_i，可得：

调节阀的节流模型如图1和图2所示，基于其几何结构，可以得到调节阀i开度时最小节流处的流通面积：

其中，以通过阀芯1轴线的平面为基准面，N和N₁为基准面上阀芯在最小节流处的两点，N与N₁之间的距离等于d_i；M和M₁为基准面上阀座密封平面上的两点，M与M₁之间距离等于阀座密封平面直径D_c；l_i为调节阀在i开度时，阀芯与阀座的最小节流面上N点处的圆锥侧表面母线长度，l_i等于M点和N点之间的距离，也即M₁点和N₁点之间的距离。

以M与M₁之间的中心点为原点，沿M₁点方向为横坐标正向方向，以阀芯开启方向为纵坐标正向方向，建立阀芯运动的直角坐标系，N₁点的坐标为(x_i，y_i)，则有：

d_i＝2x_i

联立基于流体力学理论和基于节流件几何模型得到的调节阀最小节流处的面积公式可得，阀芯在i开度时关于理论流量系数的模型表达式为：

其中，i为调节阀的开度，D_c为阀座直径，A₁为调节阀入口处的总流通面积，x_i为调节阀在i开度下阀芯曲面上最小节流处与阀芯轴线之间的最小距离，y_i为调节阀在i开度下阀芯曲面上最小节流处与阀座密封平面的最小距离，α_i为修正系数。同时，根据调节阀的可调比R及开度i，可以得到调节阀对应开度i下的理论流量系数C_vi。

具体的，调节阀的调节特性包括线性类型和等百分比类型。

对于线性类型，调节阀的流量特性表达为：

对于等百分比类型，调节阀的流量特性表达为：

其中，C_vmax为调节阀的理论额定流量系数；R为调节阀的可调比；L_i为调节阀i开度时的行程；L_max为调节阀的额定行程，C_vi为调节阀在i开度下的理论流量系数。

在调节阀进口面积A₁、额定流量系数C_vmax、可调比R、额定行程L_max、阀座直径D_c和修正系数α均确定时，便可得到线性类型和等百分比类型的阀芯曲面在i开度时关于理论流量系数的模型表达式。

S2步骤中，建立如图1所示的阀芯曲面设计坐标系(x′,y′)，根据阀芯与阀座之间的空间位置关系，得到调节阀在i开度下阀芯曲面的设计横坐标x′_i和设计纵坐标y′_i的关系式：

其中，i为调节阀的开度；D_c为阀座直径；L_max为调节阀的额定行程；x′_i的大小和调节阀在i开度下阀芯曲面上最小节流处与阀芯轴线之间的最小距离相等，也即和阀芯曲面关于理论流量系数模型表达式中的x_i相等；θ为调节阀在i开度下，阀芯与阀座最小节流面的圆锥侧表面母线和阀座密封平面之间的夹角。

根据上述方法，预设调节阀的各个开度i，并计算得到各个预设开度i下阀芯曲面的设计坐标(x′_i，y′_i)，然后对各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标点进行拟合，得到阀芯曲面在基准面上的投影轮廓线，然后将拟合的轮廓线沿阀芯的轴线旋转360°，轮廓线扫略得到的曲面即为调节阀的阀芯曲面。

本实施例中，在步骤S1中，调节阀的阀芯曲面在预设开度i下关于理论流量系数的模型包括修正系数α_i，预设所述修正系数，根据所述预设的修正系数及所述预设开度，获得预设开度下调节阀的流道模型并进行仿真分析，获得仿真流量系数；

另外根据所述调节阀的预设开度i及可调比R，获得理论流量系数，

比较仿真流量系数和理论流量系数，若仿真C_vi与理论C_vi之间误差小于预设误差δ_i，则该预设的修正系数α_i为调节阀对应开度i下的修正系数。若仿真C_vi与理论C_vi之间误差大于或等于预设误差δ_i，则修改预设的修正系数α_i，然后重新进行仿真分析，并比较新得到的仿真C_vi及理论C_vi，直至仿真C_vi与理论C_vi之间误差小于预设误差δ_i。

由于所述调节阀的调节特性包括线性类型及等百分类型，因此对于线性类型调节阀，预设误差δ_i≤10％，对于等百分类型调节阀，预设误差δ_i≤5％，对精度要求越高，则预设误差越小。本实施例中，对于线性类型调节阀，其预设误差δ_i为5％，对于等百分类型调节阀，其预设误差δ_i为3％。

调整调节阀的开度i，根据开度i重复进行上述步骤，得到各个开度下的修正系数α_i。本实施例中，对于等百分比类型调节阀，预设开度i分别为10％、20％、30％……100％。对于线性类型调节阀，阀芯曲面在20％～80％开度间可设计为线性曲面，因此预设开度i分别为10％、20％、80％、100％。

修正系数的具体确定方法如图3所示。另外对所确定的线性阀芯曲面修正系数和等百分比阀芯曲面修正系数，在一定范围内分别适用于各自同一口径单座调节阀的其他C_vmax阀芯曲面的设计，而且均具有较高的设计精度。可以较大程度的提高阀芯曲面的设计效率，减少其设计误差，使调节阀获得更高的调节精度。

本实施例还提供一种调节阀节流组件，包括阀芯1和阀座2，所述调节阀节流组件中阀芯的节流曲面采用如上任一项所述的调节阀阀芯曲面的获取方法获取。

实际实施时，以可调比R＝50：1，额定流量系数C_vmax＝45，阀门额定行程L_max＝38mm，阀座直径为D_c＝63mm，口径DN80的单座调节阀为例，通过上述方法，得到的线性阀芯曲面和等百分比阀芯曲面，分别如图4和图5所示。

对上述获得的DN80-C_vmax45单座调节阀进行流场仿真分析，阀前管道长度取2倍管道公称通径，阀后管道长度取6倍管道公称通径；介质为常温水；入口为总压，取1500kPa；出口为静压，取500kPa；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^-4；介质流向为低进高出。

在100％开度时，线性阀芯曲面对应的调节阀内部流场的涡核压力云图和流线云图分别如图6和图7所示。等百分比阀芯曲面对应的调节阀内部流场的涡核压力云图及流线云图分别如图8和图9所示。由图6～图9可知，对DN80-C_vmax45的单座调节阀，阀门全开时，线性和等百分比阀芯曲面的阀内腔均形成了大量旋涡，最大介质流速均出现在阀芯与阀座配合的最小节流处。

仿真C_vi通过以下公式计算得到：

仿真

其中，Q为被测体积流量，通过仿真得到，单位为m³/h；Δp_i为调节阀开度i下，阀门上下游取压口的压力差，通过仿真得到，其单位为kPa；ρ₁为流体的密度，单位为kg/m³；ρ₀为15.5℃时水的密度，取999kg/m³；N₁为数字常数0.0865。

对DN80-C_vmax45的单座调节阀，通过仿真分析，以及理论C_vi计算和仿真C_vi计算，分别得到其线性阀芯曲面和等百分比阀芯曲面对应的阀门模型在10％、20％…100％开度下的理论C_vi和仿真C_vi之间的相对误差。

具体如下表所示：

由上表可以发现，本实施例中的DN80-C_vmax45单座调节阀，线性阀芯曲面在各开度下的仿真和理论流量系数的相对误差均在5％以内。等百分比阀芯曲面在各开度下的仿真和理论流量系数的相对误差均在2％以内。

另外，对DN80-C_vmax45的单座调节阀，通过上表数据，分别绘制其线性阀芯曲面和等百分比阀芯曲面对应阀门模型的理论和仿真的流量特性曲线，如图10和图11所示。可知两类阀芯曲面对应的阀门仿真流量特性曲线和理论流量特性曲线均高度吻合，证明了该阀芯曲面的确定方法切实有效可行。

综上所述，本发明的一种调节阀阀芯曲面的获取方法及调节阀节流组件，在阀芯开度关于理论流量系数的模型中包括修正系数，修正系数通过仿真进行优化获得，能够对阀芯曲面进行修正，相较于传统的线性类型和等百分比类型的阀芯曲面设计方法，能够获得更高的设计精度，改善阀门的调节性能，并为单座调节阀的准确选型提供支撑。另外，所确定的线性阀芯曲面修正系数和等百分比阀芯曲面修正系数，在一定范围内分别适用于各自同一口径单座调节阀的其他C_vmax阀芯曲面的设计，而且均具有较高的设计精度，可以较大程度的提高阀芯曲面的设计效率。

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)

1.一种调节阀阀芯曲面的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据调节阀的几何结构，获取调节阀的阀芯曲面在预设开度下关于理论流量系数的模型；

根据预设开度下阀芯与阀座之间的空间关系及所述模型，获得预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据；

调整预设开度，获取各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据，并根据各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据，获得调节阀阀芯曲面。

2.根据权利要求1所述的一种调节阀阀芯曲面的获取方法，其特征在于：根据所述预设开度，获得理论流量系数，

调节阀的阀芯曲面在预设开度下关于理论流量系数的模型包括修正系数，

预设所述修正系数，根据所述预设的修正系数及所述预设开度，获得预设开度下调节阀的流道模型并进行仿真分析，获得仿真流量系数；

比较仿真流量系数和理论流量系数，若仿真流量系数与理论流量系数之间误差小于预设误差，则预设修正系数为所述预设开度下的修正系数，反之，则修改预设修正系数，并重新比较仿真流量系数与理论流量系数，直至仿真流量系数与理论流量系数之间误差小于预设误差。

3.根据权利要求1所述的一种调节阀阀芯曲面的获取方法，其特征在于：对各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据进行拟合，获得阀芯曲面。

4.根据权利要求2所述的一种调节阀阀芯曲面的获取方法，其特征在于：阀芯曲面在预设开度下关于理论流量系数的模型表达为：

其中，i为调节阀的开度，D_c为阀座直径，A₁为调节阀入口处的总流通面积，x_i为调节阀在i开度下阀芯曲面上最小节流处与阀芯轴线之间的最小距离，y_i为调节阀在i开度下阀芯曲面上最小节流处与阀座密封平面的最小距离，C_vi为在调节阀在i开度下的理论流量系数。

5.根据权利要求1所述的一种调节阀阀芯曲面的获取方法，其特征在于：所述调节阀的调节特性包括线性类型和等百分比类型。

6.根据权利要求5所述的一种调节阀阀芯曲面的获取方法，其特征在于：

所述线性类型的调节阀流量特性表达为：

等百分比类型的调节阀流量特性表达为：

C_vmax为调节阀的理论额定流量系数；R为调节阀的可调比；L_i为调节阀在i开度时的行程；L_max为调节阀的额定行程，C_vi为在调节阀在i开度下的理论流量系数。

7.根据权利要求4所述的一种调节阀阀芯曲面的获取方法，其特征在于：预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据满足：

其中，i为调节阀的开度，D_c为阀座直径，L_max为调节阀的额定行程，θ为调节阀在i开度下最小节流面的圆锥侧表面母线与阀座密封平面之间的夹角，x′_i为调节阀在i开度下阀芯曲面的设计横坐标，等于调节阀在i开度下阀芯曲面上最小节流处与阀芯轴线之间的最小距离x_i，y′_i为调节阀在i开度下阀芯曲面的设计纵坐标。

8.根据权利要求2所述的一种调节阀阀芯曲面的获取方法，其特征在于：所述调节阀的调节特性包括线性类型和等百分类型，对于线性类型的调节阀，所述预设误差≤10％，对于等百分类型的调节阀，所述预设误差≤5％。

9.根据权利要求3所述的一种调节阀阀芯曲面的获取方法，其特征在于：以通过阀芯轴线的平面为基准面，根据所述基准面上各个预设开度下阀芯曲面的设计坐标数据，拟合得到轮廓曲线，所述轮廓曲线绕阀芯的轴线转动的扫略轨迹为阀芯曲面。

10.一种调节阀节流组件，其特征在于：包括阀芯，所述阀芯的节流曲面采用如权利要求1～9任一项所述的调节阀阀芯曲面的获取方法获取。

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