燃氣比例閥過流面積計算與分析

張 毅 劉 樺 蔣小波 歐陽臥龍

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

燃氣比例閥是家用燃氣快速熱水器的核心部件，主要作用是對燃氣進行比例調節和穩壓調節，其調節精度和穩壓精度很大程度上影響了熱水器的使用舒適性。燃氣比例閥的過流面積與燃氣流量密切相關，當前還沒有針對燃氣比例閥過流面積提出理論計算公式，這給設計和應用帶來不便。本文提出燃氣比例閥過流面積計算方法，并分析過流面積對燃氣比例閥性能的影響，并提出提升性能的有效措施。

1 燃氣比例閥簡述

燃氣比例閥由執行機構和閥門部件兩大部件組成，市面上常用的執行機構結構形式有動線圈式、動磁鐵式和動鐵芯式，其作用是產生推力驅動閥桿發生位移；閥門部件通過閥桿帶動閥芯移動，改變閥芯與閥座相對位置，從而改變閥的過流面積，輸出所需的燃氣壓力。

以動磁鐵式燃氣比例閥為例，主要由比例線圈、永磁鐵、隔膜、氣門、閥口等組成。燃氣比例閥利用電流的磁效應，通電螺旋線圈推動永磁鐵沿軸向下移，帶動閥桿、閥芯產生位移，改變了閥芯和閥座相對位置，也就是改變了燃氣比例閥的過流面積，從而輸出所需燃氣壓力，實現了電流信號控制燃氣二次壓力或流量。

燃氣比例閥流量與進出口壓差關系可用下式表征[1]：

式中：

Qv—體積流量（m3/h）；

C—流量系數；

Ax—過流面積（m2）；

ΔP—球閥上下游壓力差（Pa）；

ρ—流體密度（kg/m3）。

在設計和使用過程中，工程師最關注的是流量Qv或壓差ΔP與過流面積Ax的關系，其中流量Qv和壓差ΔP可以由設備儀器測定，C是一個十分復雜的量，它與流體狀態、閥的幾何結構等因素有關，難以采用簡單的計算方法得出準確數值，過流面積Ax值可以通過閥的幾何結構計算得出，從而得到過流面積Ax與流量Qv、過流面積Qv與壓差ΔP的關系。

2 過流面積的計算及分析

2.1 計算

為方便計算，把閥芯球面和閥座孔徑作適當簡化，取消閥座邊緣上圓角，閥芯球面擴充為完整的球狀，提出如圖1所示模型。

如圖1所示，取閥座邊緣上點X與閥芯球面圓心O連一條直線，交閥芯球面于點Y，記線XY為L，則L為閥座邊緣距離閥芯球面最短距離。根據流量連續性方程，過流斷面位于過流面積最小，氣流速度最大處[2]，因此比例閥的過流面積是指以L為母線形成的平截正圓錐側面積，見圖1所示網狀陰影部分。H為點X到閥芯中心水平線的距離與閥芯移動距離δ的差值。

根據截圓錐側面積公式，得如下關系式：

由直角三角形得到如下兩個關系式：

當閥芯移動距離為0時：

當閥芯移動距離為δ時：

聯立式（3）（4）得：

聯立式（2）（5）得：

式中：

Ax—過流面積；

r—閥座孔半徑；

R—閥芯球面半徑；

δ—閥芯移動距離。

從式（6）知燃氣比例閥過流面積取決于閥座孔半徑、閥芯球面半徑和閥芯移動距離。在閥的幾何結構確定的情況下，閥芯產生位移是過流面積發生變化的直接原因。

2.2 設計應用

式（6）按簡化模型推導出來，燃氣比例閥的設計應用需要考慮到幾何結構、誤差等實際情況，這些情況對設計計算有一定限制或影響，下面對三種情況分別進行討論。

1）為確保斷電閉閥時，閥芯與閥座可靠接觸并形成良好的氣密效果，閥芯球面必須比閥座孔大，即：

2）閥芯移動距離存在一定的限制，下面分三種情況討論：

①當斷電閉閥時，δ=0，代入式（6）得Ax=0；

實際上由于閥芯頂部連接有閥桿，因此閥芯實際移動距離小于上述δ值。

③當閥芯繼續下移至頂點離開閥座孔邊沿時，超過適用范圍，不適用。

綜上，閥芯移動距離范圍：

對應的過流面積范圍：

3）在圖1模型中，閥芯與閥座處于同軸的理想狀態，閥芯移動只考慮沿軸方向的移動。但在實際運行過程中，由于存在尺寸誤差、裝配應力或氣流擾動等影響因素，閥芯同時存在軸向位移δ和徑向位移Δ，此時燃氣比例閥過流面積是斜截斜圓錐側面積Ax′，見圖2所示網狀陰影部分。經計算機模擬計算，在相同的軸向位移δ，有 Ax′＞ Ax。

2.3 測量

通過測試可得到過流面積Ax與流量Qv、過流面積與Ax壓差ΔP的關系。測試方法模擬燃氣比例閥實際工作狀況，測試采用壓縮空氣作為氣源，噴嘴孔徑為φ3.3 mm，選取兩款閥用于測試對比，尺寸差異對比如表1所示。

表1 兩款閥幾何結構尺寸

對A閥B閥分別進行測試，在進氣口通入壓力值為（2 000±100）Pa空氣，出氣口接噴嘴，通過螺紋機構精密調節閥芯移動，記錄移動距離δ值，根據式（6）計算出對應的過流面積Ax，并記錄每δ值對應的空氣流量Qv和壓差ΔP。根據測量結果繪制曲線圖，見圖3、圖4和圖5。

2.4 分析

從式（6）和圖3中可以看出，在閥的幾何結構確定情況下，閥芯移動距離與過流面積為正比例關系，可用式（10）表示：

式中：

μ—常數，由閥座孔半徑、閥芯球面半徑確定。

對于上述樣件，A閥的μ值可取50.1，B閥的μ值可取34.5，說明μ值越小，閥座孔半徑越小。與式（6）比較，運用上式進行設計計算能使計算簡便。

從圖4、圖5中，兩種閥都呈現相同趨勢，體積流量隨著過流面積增大而增大，增大速度先快后緩，直至趨近于某一極限值；進氣壓力與出氣壓力的壓差隨著過流面積增大而減小，減小速度先快后緩，直至趨近于某一極限值。對比兩種閥，在相同的流量變化量或壓差時，μ值越小，閥芯移動距離δ值可調范圍越大，應用在小流量或二次壓力較小時，μ值較小的比例閥有利于提高調節精度，抗干擾能力更好。

閥芯在移動時產生徑向位移Δ，則使過流面積Ax增大，燃氣流量隨之增大，一定程度上導致穩壓性能變差，回差變大。在設計上應采取必要措施，避免閥芯產生徑向位移，譬如增加閥桿閥芯的導向機構，或者采用雙膜片結構，都可以促使閥芯只做沿軸向的移動。

3 結論

本文推導出了燃氣比例閥的閥芯移動距離與過流面積的關系公式，由該公式可知，燃氣比例閥過流面積取決于閥座孔半徑、閥芯球面半徑和閥芯移動距離。對于確定結構的燃氣比例閥，閥座孔半徑、閥芯球面半徑為定值，過流面積與閥芯移動的距離有關，且線性相關，可用公式A_x=μδ表示。μ值越小，閥座孔半徑越小，閥芯移動距離δ值可調范圍越大。體積流量隨著過流面積增大而增大，增大速度先快后緩，直至趨近于某一極限值；進氣壓力與出氣壓力的壓差隨著過流面積增大而減小，減小速度先快后緩，直至趨近于某一極限值。