迷宮式調(diào)節(jié)閥迷宮通道阻力系數(shù)的推導(dǎo)

楊自文 焦娜

摘 要：根據(jù)迷宮式調(diào)節(jié)閥的降壓原理，通過伯努利方程原理推導(dǎo)迷宮通道的阻力系數(shù)，為實(shí)現(xiàn)迷宮閥快速設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：迷宮閥;迷宮通道;阻力系數(shù)

1 概述

迷宮式調(diào)節(jié)閥是一種由連續(xù)阻力型相互不連通的多級多流路節(jié)流套筒組成的用于高壓差工況的調(diào)節(jié)閥，被廣泛應(yīng)于石油化工、電力、核能等行業(yè)中。隨著我國工業(yè)建設(shè)的快速發(fā)展，迷宮式調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用也越來越廣泛，客戶技術(shù)需求大量增加。以往的迷宮通道設(shè)計(jì)通常采用商業(yè)軟件進(jìn)行模擬分析計(jì)算，設(shè)計(jì)成本和時(shí)間投入多，無法滿足裝置現(xiàn)場閥門替換、改造等客戶迫切需求。根據(jù)迷宮式調(diào)節(jié)閥的降壓原理，推導(dǎo)迷宮通道的阻力系數(shù)，對解決客戶現(xiàn)場需求，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)有現(xiàn)實(shí)意義。

2 迷宮閥原理

閥門的汽蝕現(xiàn)象通常伴隨著閥門的劇烈振動，高噪音以及閥門內(nèi)件的沖擊和磨損，為避免汽蝕對閥門的損害，實(shí)際應(yīng)用中通常通過兩種辦法實(shí)現(xiàn)。一種是使用高硬度的材料加工閥門內(nèi)件，材料硬度越高則抗汽蝕能力越強(qiáng);另一種則是通過增加閥門的阻力系數(shù)，來不斷消耗介質(zhì)的能量。迷宮閥就是利用這個(gè)原理，使介質(zhì)在迷宮通道中經(jīng)過連續(xù)轉(zhuǎn)彎和碰撞（圖1），不斷造成能量損耗，控制介質(zhì)流速，防止閥門產(chǎn)生高噪音和振動。

國外相關(guān)研究中，將閥門內(nèi)部節(jié)流件的介質(zhì)出口能量和流速做了相關(guān)限制，對于大多數(shù)連續(xù)單相流體工況，調(diào)節(jié)閥出口動能的接受標(biāo)準(zhǔn)限制在70psi（480kPa），流速控制在30m/s以下，存在潛在空化和多相流的工況時(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該降低到40psi（275kPa），流速控制在23m/s以下。通過采用具有連續(xù)阻力迷宮通道的內(nèi)件，以滿足建議的動能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，閥門的性能得到了顯著改善。

對比普通單座調(diào)節(jié)閥與迷宮閥的降壓過程（圖2），可以預(yù)見，迷宮閥擁有更大的壓力恢復(fù)系數(shù)FL，壓力恢復(fù)系數(shù)越大，則表明閥門抗汽蝕能力越強(qiáng)。迷宮閥的壓力恢復(fù)系數(shù)通常可達(dá)到0.99以上，單座閥只有0.7～0.9左右，用公式表示：

3 伯努利方程

根據(jù)伯努利定理，橫基準(zhǔn)面上的任意一點(diǎn)，其總能量（全壓）等于高度壓頭（位能）、壓力頭（靜壓）和速度頭（動壓）三者之和，等式為：

但現(xiàn)實(shí)中，必然存在流體的摩擦損失以及能量的輸入和輸出，用hl表示，被包括在伯努利方程中，等式為：

流體在管道系統(tǒng)中流動時(shí)主要存在兩種阻力;一種是在流道方向上與管壁摩擦造成的阻力，稱為沿程阻力，用hf表示，阻力系數(shù)用Kf表示;另一種阻力發(fā)生在流動邊界有急變的流場中，如流動方向改變、通道內(nèi)有障礙物、通道截面積或形狀突然改變等，這種集中發(fā)生的能量損失稱為局部阻力，用hj表示，阻力系數(shù)用Kj表示。系統(tǒng)中的總水頭損失hl等于各段沿程損失和各處局部損失之和：

4 一般能量方程在設(shè)計(jì)迷宮通道時(shí)的應(yīng)用和推導(dǎo)

對于不可壓縮流體，假設(shè)流入迷宮通道的流體體積流量為Q，流速用v表示，通道截面積為A，則：

迷宮通道對流體的阻力主要是在直角轉(zhuǎn)彎以及出入口附近的局部阻力。設(shè)通道入口處局部阻力系數(shù)為Ki，出口處局部阻力系數(shù)為Ko，假設(shè)中間每階段具有相同的沿程阻力Kf和局部阻力Kj，每階段總阻力系數(shù)等于兩者之和，用Kt表示，則：

通過階段阻力系數(shù)的計(jì)算，可以方便預(yù)測迷宮通道各級的壓降。GB/T17213.2標(biāo)準(zhǔn)中迷宮通道的截面積擴(kuò)大比E的推薦范圍：1.12～1.23。各階段阻力系數(shù)Kt的取值與通道的形狀、粗糙度、截面積擴(kuò)大系數(shù)等有關(guān)系，需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和確定。通道流量系數(shù)Kv則可以根據(jù)公式推導(dǎo)計(jì)算。

5 總結(jié)

以上推導(dǎo)過程證明，迷宮通道的級數(shù)越多，則其阻力系數(shù)越大，介質(zhì)流速也就越小，但也意味著需要更大的流通面積來滿足流量的需求，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)介質(zhì)壓差等工況合理選用迷宮通道的級數(shù)。隨著迷宮閥在國內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，部分工況閥門需要特殊設(shè)計(jì)和制造甚至改造，對設(shè)計(jì)人員也有了新的要求。本文對迷宮閥迷宮通道阻力系數(shù)的推導(dǎo)旨在通過公式指導(dǎo)設(shè)計(jì)，如有不當(dāng)之處，請各位同行批評指正。

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