调节阀阀瓣型面在计算机中自动绘制的方法

　　介绍了利用计算机根据已知流量系数和给定阀座直径、行程、可调比及流量特性的条件下自动绘制柱塞式调节阀阀瓣型面的方法。

1、概述

　　在柱塞式调节阀设计中，阀瓣的型面设计与绘制直接影响调节阀的调节特性。首先以客户提供的管道需求流量、阀前后压降、介质工况、管道情况等已知条件选择调节阀的类型，再依据相应的标准(如GB/T17213.2-2005)计算与确定选用阀门的流量系数CV。再以GB/T17213.2附录A的提示，可确定出单流路的缩流断面的总面积和各行程的环形流路的内径，但绘制阀瓣型面的计算量很大，手工完成绘制比较费工费时。本文提出根据调节阀的调节特性和流体力学原理建立数学模型，并运用计算机完成阀瓣型面绘制的一种方法，以减少调节特性的偏差和缩短设计与制造周期。

2、依据

　　根据伯努利方程和连续性方程得出不可压缩流体的体积流量方程式，即

　　式中 Qv———流量，m³/min；C———流出系数，节流装置几何相似并在相同雷诺数下则其值相同；β———等效节流流路直径与管道横截面内直径之比；A———等效节流流路的面积，mm²；ρ1———入口端的介质平均密度，lb/ft3；ΔP———阀前后压降值，psi

　　为了简化计算，忽略紊流状态下的C值微小变化，调节阀的体积流量Qv与A的关系为

　　式中 Q0———最大的体积流量，USgal/min；A0———单流路的节流断面的总面积(见GB/T17213.2-2005)，mm²

　　β0———最大等效节流流路直径与管道横截面内直径之比；f(h%，R)———流量特性函数

　　因此等效节流流路的面积A是由阀瓣开度与可调比及A0组成的函数，即

　　式中 h%———阀瓣开度，mm；R———可调比；ADN———管道横截面积，mm²

　　可推导出线性流量特性时Ax和等百分比流量特性时Ab为

3、几何模型的建立

　　确定阀门流量系数CV值后按式(3)计算出A0，然后根据式(4)针对阀瓣某一阀瓣开度h%时计算出调节阀的阀瓣型面所形成的等效节流流路的面积A。按照图1所示阀座密封点处画出一条射线段使其与水平夹角为θ，长度为r。假设此点刚好为此阀瓣开度h%时阀瓣型面上的点，即此射线段所形成的圆台侧面积与A值一样，即有

　　式中 D0———阀座口直径，mm

1.一条包络线2.阀座3.阀瓣4.阀瓣型面

图1 几何模型原理

　　对于某一开度h%和节流流路面积A，当夹角θ从0°～90°进行遍历(为保证精度取18个点)，按式(7)计算出对应的r值所形成的射线段端点的集合即为阀瓣型面在此开度的一个包络线。以此类推，当阀瓣开度从0%～100%进行遍历(为保证精度，取20条包络线)就形成一组包络线集合。在CAD中用一折线(或曲线)按从0%～100%的顺序对每个包络线进行相切，即形成阀瓣型面图样。

4、绘制过程流程图

　　阀瓣绘制过程如图2所示，按照此法绘制的阀瓣图样与测绘的多种产品相比，差别很小。

图2 阀瓣绘制过程

5、结语

　　在设计调节阀的阀瓣型面时，根据不可压缩流体流量方程式并充分理解调节特性和流量系数的含义，按照几何模型的推演和依托计算机的计算能力，对阀门的设计效率提高提供了一种可靠的方法。应当指出，任何新阀门的设计最终必须通过实际的验证才能证明其性能的准确性和可靠性。