單通道多級降壓調節閥閥芯開度設計方法比較

劉文祥 ，石世宏

（1.蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州215000；2.凱士比閥業（常州）有限公司，江蘇 常州213000）

1 概述

單通道多級降壓調節閥是應對高壓差惡劣工況的首選產品，其基本工作原理是將作用在整個閥芯上的全部壓降分解到每級閥芯上，使得每級閥芯壓差減小到低于介質的飽和蒸汽壓力，從而避免空化和氣蝕的發生，降低高壓差惡劣工況對閥芯的破壞[1，2]。對多級閥芯的開度設計，傳統的方法是采用疊加法來計算，這種方法存在計算過程復雜和效率較低的問題，本文從逆向思維的角度提出新的方法——分解法來進行閥芯開度設計計算，這種方法對閥芯無論是線形流量特性還是等百分比流量特性都適用，也對不論多少級數的閥芯適用，同時簡化設計過程，提高了計算工作效率。

2 多級閥芯結構與設計原理

如前文所述，單級閥芯（見圖1）存在不抗高壓差的缺點，多級閥芯（見圖2和3）可有效解決該問題[3]。

圖1 單級

圖2 三級

圖3 六級

調節閥閥芯的流通能力與閥芯開度設計存在直接關系，通常滿足以下關系見公式1。而不同閥芯形狀和開度設計又存在線形特性和等百分比特性兩種情況，其流通能力與閥門開度之間的關系分別見公式2和3，這種關系對于單級和多級閥芯中的每一級閥芯都是適用的[4-6]。對于多級閥芯，其總的流通能力與單個閥芯之間的關系如公式4所示。

式中：Cv為整個閥芯的流通能力系數；Q為閥芯在任意開度下的流量；Qmax為閥芯在最大開度時的流量；Cvi為第i級閥芯的流通能力系數；N為單位系數（常數）；ρ為流體密度；△P為閥芯兩側的壓差；R為閥芯的可調比（常數）；h為閥芯的開度（閥芯行程與最大行程的百分比）；n為多級閥芯的級數。

從上述公式可以看出，流通能力與流通能力系數成線形正比關系，各級閥芯與整個閥芯的流通能力成線形正比關系且與閥芯流量特性是線性特性或等百分比特性無關。

3 流通能力和閥芯開度設計計算

在設計多級閥芯時，常用的閥芯開度設計方法是疊加法，就是先根據閥門入口處工作參數計算第一級閥芯的流量能力、閥芯開度和減壓后的壓力，然后將第一級閥芯計算輸出結果作為第二級閥芯開度設計的條件來設計第二級閥芯開度以及類似設計輸出，以此類推，最后完成全部級數的閥芯開度設計。這種計算方法流程較長，有順序性要求，效率不高，工作量大。而分解法的原理是先虛擬一個閥芯（可以認為是一個單級閥芯），設計好這個單級閥芯后，根據流量特性曲線和所需級數進行分解，將對應流量系數作為各級閥芯設計的輸入條件，然后將各級閥芯的開度設計計算出來。

以圖2和圖3多級閥芯為例，假設介質為水，閥前壓力12 MPa，閥后壓力3 MPa，溫度25℃，對線形特性和等百分比特性閥芯計算[7-8]。分別兩種特性的3級閥芯為例，如圖4所示，先計算整機Cv曲線及在不同開度下的Cv值，然后將該Cv值除以閥芯級數得到對應的單級Cv值，再根據單級Cv值進行閥芯具體的結構和形態設計，計算數據全部結果如表1所示。

圖4 整體與單級閥芯流通能力關系

結果表明：（1）利用分解法進行計算結果與疊加法幾乎完全相同，驗證了前文理論推導和分析的結論；（2）隨著閥芯級數的增多，整個閥芯的流通能力系數會隨之降低，符合前文理論公式推論。

表1 線性特性和等百分比特性閥芯各開度Cv

同樣利用以上所述兩種不同的方法對閥芯開度進行設計并計算，結果如表2所示。結果表明：采用多級閥芯時，采用分解法和疊加法的計算結果幾乎完全相同，而且計算結果和結論與閥芯特性是線形或等百分比無關，同時也適用于所有任意級數的多級降壓閥芯設計。

表2 閥芯開度設計計算

4 結語

通過對不同流量特性和不同級數的閥芯流通能力系數和開度的計算和分析，驗證了利用分解法進行計算的有效性和可靠性，該方法對線形特性和等百分比特性閥芯都適用，理論上也適用于任何其它特性的閥芯設計，同時也適用于任意級數的閥芯設計。這為多級降壓調節閥的閥芯設計提供了新的方法選擇，與傳統的疊加法比較，更為簡單和快捷，節省了計算時間，提高了設計效率，降低了設計成本，對調節閥設計和選型具有重要實踐作用和參照價值。